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UNIVERSIDAD DE COSTA RICA

FACULTAD DE CIENCIAS

ESCUELA DE QUÍMICA

Solidificación/Fijación de metales pesados en concreto como una

opción de tratamiento de residuos generados en el Instituto

Costarricense de Electricidad

Trabajo Final de Graduación presentado como requisito parcial para optar al grado de

Licenciatura en Química

Modalidad: Práctica Dirigida

JOSÉ EDUARDO MIRANDA JIMÉNEZ

Ciudad Universitaria Rodrigo Facio, Costa Rica

2017

ii

DEDICATORIA

Con todo el amor y cariño a mis padres por hacer todo lo posible para que

pudiera alcanzar y hacer realidad mis metas y sueños, dándome el apoyo

incondicional en todo momento y brindándome siempre una mano y

motivación cuando más lo necesitaba.

iii

AGRADECIMIENTOS

A mis padres, así como también a toda mi familia que de una u otra forma estuvieron ahí

brindándome su apoyo.

A todos mis compañeros y amigos de trabajo y estudio que siempre estuvieron dándome su

apoyo para salir adelante con este proyecto y en especial a Ariel Alfaro

Vargas y Luis Mesén Jiménez que siempre estuvieron ahí para brindarme su apoyo y

ayuda, la cual fue de suma importancia para mi persona.

A Eduardo Valerio por su paciencia y colaboración en el análisis de cada una de las

distintas muestras analizadas.

A Dios por brindarme el regalo de la vida y poner a cada una de estas personas en mi vida,

las cuales significan mucho para mí.

iv

Este Trabajo Final de Graduación fue aceptado por la Escuela de Química, como requisito

parcial para optar al grado y título de Licenciatura en Química.

Dr. Germán Vidaurre Fallas

Presidente del Tribunal Examinador

M.Sc. Ariel Alfaro Vargas

Director del Trabajo Final de Graduación

M.Sc. Paola Fuentes Schweizer

Asesora del Trabajo Final de Graduación

M.Sc. Rolando Procúpez Schtirbu

Asesor del Trabajo Final de Graduación

M. Sc. Giselle Lutz Cruz

Miembro del Tribunal Examinador

José Eduardo Miranda Jiménez

Candidato

v

TABLA DE CONTENIDOS

DEDICATORIA .....................................................................................................................ii

AGRADECIMIENTOS ........................................................................................................ iii

TABLA DE CONTENIDOS .................................................................................................. v

RESUMEN ............................................................................................................................ vi

LISTA DE CUADROS ....................................................................................................... viii

LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ xi

LISTA DE ABREVIATURAS ........................................................................................... xiii

CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN ......................................................................................... 1

1.1. Metales pesados.................................................................................................................. 1

1.2. Intoxicación con metales pesados ....................................................................................... 2

1.2.1. Plomo ............................................................................................................................. 2

1.2.2. Cobre .............................................................................................................................. 4

1.2.3. Estaño ............................................................................................................................. 5

1.3. Tratamiento de aguas residuales con presencia de metales ................................................. 6

1.4. Solidificación/Estabilización .............................................................................................. 7

1.4.1. Cementación de desechos peligrosos ............................................................................. 9

1.5. Cemento ........................................................................................................................... 10

1.6. Cemento Portland ............................................................................................................. 14

1.7. ICE ............................................................................................................................. 17

1.8. Objetivos: ................................................................................................................... 18

CAPITULO 2: SECCIÓN EXPERIMENTAL ..................................................................... 20

CAPITULO 3: RESULTADOS Y DISCUSIÓN ............................................................. 30

CAPITULO 4: CONCLUSIONES ................................................................................... 50

CAPITULO 5: BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................... 52

CAPITULO 6: ANEXOS ................................................................................................. 63

vi

RESUMEN

En el presente trabajo se mostrará la factibilidad de utilizar la técnica de

tratamiento denominada Solidificación/Estabilización, para el adecuado tratamiento y

disposición final de desechos de plomo, estaño y cobre.

Para aplicar este tipo de tratamiento, se utilizó cemento Portland ordinario y los

desechos de estaño, plomo y cobre (en su estado de oxidación +2) provenientes del Instituto

Costarricense de Electricidad; cuyas concentraciones iniciales eran: 0,36 mg/L de plomo,

0,36 mg/L de estaño y 16 500 mg/L de cobre, se obtuvieron resultados satisfactorios en

cuanto a la solidificación/estabilización de los mismos. Los resultados de eficiencia de

retención del cemento Portland ordinario fueron entre un 96,5 % a 99,9 % para el plomo;

entre un 96,0 % a 99,5 % para el estaño; mientras que para el cobre fueron cercanos a 100

%, ya que se obtuvieron valores no detectables por el equipo para este metal, para las

probetas elaboradas con una relación agua/cemento de 0,45, así como de 0,65; además de

valores obtenidos para agua de lluvia, tubo, destilada o desionizada, lo que muestra que

ninguno de estos aspectos afecta significativamente la estabilización de los desechos.

Aparte de la eficiencia de retención de estos metales dentro de matriz cementicia, se

obtuvo que la liberación (lixiviación) de estos metales al medio fue muy inferior a lo

permitido por la ley, se observaron valores máximos de 0,041 mg/L comparados con los 0,5

mg/L permitidos para el plomo; de 0,069 mg/L comparados con los 2 mg/L para el estaño e

inferiores a 1 mg/L, ya que se obtuvieron valores no detectables por el equipo de absorción

atómica, comparados con los 2 mg/L permitidos por la ley para el cobre; por lo que esta

técnica es amigable con el ambiente.

Para el caso de la fabricación de aceras o cualquier área cementada como

disposición final de este tipo de desechos una vez tratados con la técnica

Solidificación/Estabilización, se debe investigar un poco más las condiciones a desarrollar,

vii

ya que no se obtuvieron resultados aceptables en cuanto a la contextura y resistencia de las

probetas fabricadas, para el caso del cobre, las mismas presentaron un resquebrajamiento y

una textura suave; mientras que las de plomo y estaño, presentaron rupturas leves en los

bordes; sin embargo, luego del fraguado mostraron una textura más estable.

viii

LISTA DE CUADROS

Cuadro 1. Relación inversa entre la resistencia del concreto y la proporción a/c utilizada. . 11

Cuadro 2. Composiciones de los distintos tipos de cementos. ............................................. 14

Cuadro 3. Composición química del cemento. ..................................................................... 16

Cuadro 4. Dosificación de materiales para la elaboración de las probetas de metal pesado-

concreto. ................................................................................................................................ 21

Cuadro 5. Descripción de las distintas probetas de concreto utilizadas. .............................. 24

Cuadro 6. Concentración de plomo en el lixiviado (en itálica) y porcentaje de la eficiencia

de retención (en negrita) de plomo en el cemento PO para las distintas muestras analizadas.

.............................................................................................................................................. 39

Cuadro 7. Concentración de estaño en el lixiviado (en itálica) y porcentaje de la eficiencia

de retención (en negrita) de estaño en el cemento PO para las distintas muestras analizadas.

.............................................................................................................................................. 42

Cuadro 8. Concentración de cobre en el lixiviado (en itálica) y porcentaje de la eficiencia

de retención (en negrita) de cobre en el cemento PO para las distintas muestras analizadas.

.............................................................................................................................................. 45

Cuadro 9. Límites máximos permitidos para el vertido de Pb, Sn y Cu (MINAE, 2007). ... 46

Cuadro 10. Datos obtenidos del análisis por A.A.H.G. para las muestras de la P10. ........... 64



Cuadro 13. Datos obtenidos del análisis por A.A.H.G. para las muestras de la P9, P12 y

P14. ....................................................................................................................................... 67


Cuadro 15. Datos obtenidos del análisis por A.A.H.G. para las muestras de la P9, P11 y

P12. ....................................................................................................................................... 69


ix


Cuadro 18. Datos obtenidos del análisis por A.A.Ll. para las muestras de la P1 y P6. ........ 72

Cuadro 19. Datos obtenidos del análisis por A.A.Ll. para las muestras de la P2, P11 y P12.

.............................................................................................................................................. 73

Cuadro 20. Datos obtenidos del análisis por A.A.Ll. para las muestras de la P14. .............. 74

Cuadro 21. Concentración (mg/L) lixiviada de plomo en varios tipos de agua de la P10,

sección entera. ...................................................................................................................... 75


sección granular. .................................................................................................................. 75


sección entera. ...................................................................................................................... 75




sección entera. ...................................................................................................................... 76




sección entera. ...................................................................................................................... 76



Cuadro 29. Concentración (mg/L) lixiviada de estaño en varios tipos de agua de la P10,

sección entera. ...................................................................................................................... 77




sección entera. ...................................................................................................................... 77



x


sección entera. ...................................................................................................................... 78




sección entera. ...................................................................................................................... 78



Cuadro 37. Concentración (mg/L) lixiviada de cobre en varios tipos de agua de la P1,





sección entera. ...................................................................................................................... 79




sección entera. ...................................................................................................................... 80



Cuadro 43. Valores utilizados para el cálculo del ER para cada probeta analizada. ............. 80

xi

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Esquema de la fabricación de la probeta de concreto............................................ 23

Figura 2. Probeta de hierro utilizada para la elaboración de las probetas de concreto. ........ 23

Figura 3. Esquema de la distribución y corte de las probetas elaboradas. ............................ 25

Figura 4. Sistema de lixiviación para la prueba de bloque entero. ....................................... 26

Figura 5. Esquema de las pruebas de lixiviación en corte. ................................................... 27

Figura 6. Sistema de lixiviación para la prueba de bloque granulado. ................................. 28

Figura 7. Probetas de concreto de Sn/Pb en sus primeros días de curado. ........................... 30

Figura 8. Probetas de concreto de Sn/Pb después de varios días de curado. ........................ 31

Figura 9. Probetas de concreto de Cu después de varios días de curado. ............................. 32

Figura 10. Probetas de concreto de Sn/Pb/Cu al inicio del período de curado. .................... 33

Figura 11. Probetas de concreto de Sn/Pb/Cu después de unas semanas de iniciado el

período de curado. ................................................................................................................. 33

Figura 12. Curva de calibración de plomo de 2,5 µg/L a 50 µg/L para las muestras de la

P11 con una longitud de onda de 217,0 nm. ......................................................................... 35

Figura 13. Curva de calibración de estaño de 2,5 µg/L a 100 µg/L para las muestras de la


Figura 14. Curva de calibración de cobre de 0,16 mg/L a 10 mg/L para las muestras de la


Figura 15. Muestra preparada para la prueba de lixiviación granular. ................................. 63

Figura 16. Muestra preparada para la prueba de lixiviación del bloque entero. ................... 63





xii



Figura 20. Curva de calibración de plomo de 2,5 µg/L a 50 µg/L para las muestras de la P9,

P12 y P14 con una longitud de onda de 217,0 nm. ............................................................... 67




P9, P11 y P12 con una longitud de onda de 286,3 nm. ........................................................ 69






P1 y P6 con una longitud de onda de 324,8 nm. ................................................................... 72


P2, P11 y P12 con una longitud de onda de 324,8 nm. ........................................................ 73



Figura 28. Norma ASTM C31/C31M página 1. .................................................................. 86






xiii

LISTA DE ABREVIATURAS

Abreviatura Significado

A.A Absorción Atómica

A.A.H.G. Absorción Atómica por Horno Grafito

A.A.Ll Absorción Atómica por Llama

ASTM American Society for Testing Materials

Cemento PO Cemento Portland Ordinario

CH Hidróxido de Calcio

C.F. Casa Fabricante

CSH Silicato de Calcio Hidratado

EPA Environmental Protection Agency

ER Eficiencia de retención

HAP Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos

P Probeta

Relación a/c Relación agua/cemento

S/E Solidificación/Estabilización

1

CAPITULO 1:

INTRODUCCIÓN

1.1. Metales pesados

El término metal pesado es difícil de definir, ya que para algunos autores, los

metales pesados son aquellos elementos que tienen una densidad mayor de 5 g/cm3

(Hawkes, 1997); para otros, este término puede ser definido a partir de su peso atómico,

tomando como punto de partida un peso atómico mayor que el del escandio (Duffus, 2002).

En otras ocasiones se utiliza una combinación de las anteriores definiciones (Enciclopedia

Libre Universal, 2004). En este trabajo, el término metal pesado se entenderá como

aquellos cuya densidad sea mayor a los 5 g/cm3

y con un peso mayor al del escandio, como

en el caso del plomo, estaño y cobre.

Es bien conocido que los metales pesados se encuentran presentes en forma natural

en nuestro ambiente, se pueden encontrar en diferentes formas y estados dentro de suelos,

ríos, lagos o ambiente en general; pero debido al aumento poblacional y al incremento de

las actividades industriales, agrícolas, plantas eléctricas, de curtiduras, de cromado y

acabados metálicos, mineras y demás actividades antropogénicas, así como a la mala

disposición final de sus desechos (aguas residuales contaminadas con metales), se ha

favorecido la acumulación de una gran variedad de metales pesados en el ambiente y esto

provoca la contaminación de la flora y fauna de las distintas regiones donde se desarrollan

estas actividades, por ello se debe tener el adecuado estudio y conocimiento sobre la

contaminación generada por los metales pesados y las repercusiones a la salud que éstos

inducen, para así poder establecer leyes y regulaciones que permitan una adecuada

protección al ambiente y a la salud. (Giuffré, Ratto, Marbán, Schonwald, & Romaniuk,

2005)

2

1.2. Intoxicación con metales pesados

Además de afectar al ambiente, la contaminación por metales repercute en la salud

de las personas, debido a la absorción de los mismos en el cuerpo; lo que genera

enfermedades, tales como, cáncer, problemas renales y daño al sistema nervioso central y

periférico, la manifestación de una o más de estas enfermedades depende del tipo de metal

pesado que haya sido absorbido, así como la cantidad del mismo que haya ingresado en el

organismo, además de la concentración y velocidad de excreción de dicho metal (Ortíz,

2004; Banks, E., Ferreti, L., Schucard, 1997; Buchheim, K., Stoltenburg-Didinger, G.,

Lilienthal H., Winneke, 1998; Costa, 1998, Harrison, 1998a).

Los metales pueden absorberse en el organismo por los siguientes mecanismos:

- La inhalación, ya sea en forma de polvo, gases o vapores de metales y

- La ingestión, la cual puede ser a través de alimentos y bebidas; o por sobredosis, ya

sea en forma accidental o en forma intencional.

Los síntomas que una persona puede padecer debido al envenenamiento por metales

pesados varían de acuerdo con el tipo de exposición que haya tenido, así como el tipo o

clase de metal a la que haya sido expuesto. Sin embargo, dentro de los síntomas más

generalizados están: náuseas, vómito, diarrea y dolor abdominal (Rivas et al., 1995).

Los datos específicos para algunos de los metales pesados, tales como plomo, cobre

y estaño, son los siguientes: (Badash, 2011)

1.2.1. Plomo

El plomo se encuentra en la corteza terrestre en concentraciones entre 13 mg/kg a

20 mg/kg y se puede obtener de diversos minerales tales como la galena (PbS), la anglesita

3

(PbSO4) o la cerusita (PbCO3). Es utilizado para el revestimiento de cables y superficies

expuestas a la corrosión, así como en la producción de pigmentos, esmaltes y cristales.

También es utilizado en soldaduras, en blindaje contra radiaciones, como estabilizador de

plásticos, entre otros (Vega, 1985; Harrison, 1998b; Nordberg, 1998; ATSDR, 2007).

El nivel de plomo aceptado como un valor razonable en la sangre es de 10 µg/dL,

por eso, es un elemento tóxico para el ser humano; en especial para los niños; ya que por

ejemplo, algunos compuestos de plomo después de una exposición prolongada sustituyen el

calcio de los huesos lo que provoca procesos degenerativos como osteoporosis. También

una persona expuesta al plomo puede padecer la inhibición de las funciones enzimáticas

que son responsables de una etapa esencial en la síntesis de hemoglobina, esto origina

cuadros de anemia crónica (Banks et al., 1997; Buchheim et al., 1998; Costa, 1998; Hu,

1998).

Hay diversas fuentes de exposición que pueden afectar a las personas; las

principales son el aire, el agua, el polvo, el suelo y la dieta (CDC, 2005).

Algunos de los síntomas que puede manifestar una persona que presente

envenenamiento por plomo son (Badash, 2011; Hu, 1998; Vega, 1985; Needleman &

Bellinger, 1981):

Fatiga o palidez.

Irritabilidad.

Dolor de cabeza.

Debilidad muscular, tal como problemas para caminar.

Mala pronunciación.

Convulsiones o coma.

Pérdida de apetito.

Náuseas o vómito.

Dolor abdominal.

Dolor articular o artritis gotosa.

4

Presión arterial alta.

Insuficiencia renal.

Daño de las habilidades mentales, motoras y del lenguaje.

Pérdida de equilibrio.

Pérdida de memoria y concentración en niños.

Retardo mental.

1.2.2. Cobre

A diferencia del plomo, el cobre es un elemento esencial para los animales y

humanos. Está asociado con las proteínas y enzimas de los mismos; también es

indispensable como catalizador para la síntesis de hemoglobina y absorción de hierro; se

acumula en el riñón, hígado, músculo, corazón, cerebro y cabello (Reilly, 1980; Barceloux,

1999; Harrison, 1998a).

Además, por sus propiedades eléctricas, más del setenta y cinco por ciento del

cobre que se extrae se utiliza en la industria eléctrica; en la fabricación de tuberías, equipos

químicos y farmacéuticos y en aleaciones (Nordberg, 1998; ATSDR, 2004).

Aunque el cobre es un oligoelemento, un exceso del mismo dentro del organismo

puede ser perjudicial para las personas; por ejemplo, aquellas personas que padecen la

enfermedad de Wilson, absorben y conservan más cobre en su cuerpo que el de una persona

sana; el cobre se deposita en el hígado, cerebro, riñones y ojos, lo que dificulta su excreción

por la bilis; esta dificultad de excreción se debe a una mutación en el gen ATP7B

localizado en el cromosoma 13, que codifica una proteína necesaria para eliminar el cobre

sobrante. Dentro de los síntomas que se pueden mencionar por envenenamiento por cobre

están los siguientes (Van Campen, 1991; Pizarro, Olivares, Gidi, & Araya, 1999; Harrison,

1998a; ATSDR, 2004):

Náuseas o vómito.

Debilidad.

5

Dolor de cabeza y abdominal.

Daño renal.

Úlcera gastrointestinal.

Necrosis hepática.

Taquicardia e hipertensión.

Anemia hemolítica.

Uremia e ictericia.

1.2.3. Estaño

El estaño es un elemento natural; presente en la corteza terrestre en concentraciones

entre 2 mg/kg a 3 mg/kg. El estaño se utiliza principalmente en la fabricación de latas y

envases, en el campo de la electricidad, en la construcción y también en el área de

transporte. Algunos compuestos de estaño se utilizan como catalizadores, productos

agroquímicos, en revestimientos de vidrio y como base para la formulación de colores

(Nordberg, 1998; ATSDR, 2005).

Entre los síntomas que el ser humano puede presentar debido a la ingesta de estaño,

se encuentran los siguientes (ATSDR, 2005):

Dolor de estómago.

Anemia.

Problemas en los riñones.

Problemas en el hígado.

Irritación de piel.

Irritación de ojos.

Por otro lado, si se diera la ingesta de compuestos orgánicos de estaño, los síntomas

que se pueden observar en una persona intoxicada con este tipo de compuestos son los

siguientes (Harrison, 1998b):

6

Irritación cutánea y ocular.

Irritación respiratoria.

Problemas gastrointestinales, tales como dolor de estómago, náuseas y vómitos.

Problemas neurológicos y psicomotores, tales como temblor, convulsiones,

alucinaciones y conducta psicóticas.

Dolor de cabeza.

Mareos.

1.3. Tratamiento de aguas residuales con presencia de metales

Hoy en día se cuenta con una variedad de técnicas de tratamiento para diferentes

tipos de desechos peligrosos, creadas con el propósito de reducir o eliminar los riesgos para

la salud y los posibles efectos adversos para el ambiente que dichas sustancias puedan

provocar.

Según la EPA, “el término Tecnología de Tratamiento implica cualquier operación

unitaria o series de operaciones unitarias que altera la composición de una sustancia

peligrosa o contaminante a través de acciones químicas, físicas o biológicas de manera que

reduzcan la toxicidad, movilidad o volumen del material contaminado; es por ello que las

tecnologías de tratamiento representan una alternativa para aquellos desechos peligrosos

que no han sido tratados” (EPA, 2007).

El tipo de tratamiento y eliminación dependerá de la naturaleza física del

contaminante, si se encuentra en forma líquida, sólida, semisólida o gaseosa, si se trata de

una especie orgánica o inorgánica, de la solubilidad, así como del costo y duración de dicho

tratamiento (Rivas et al., 1995; Velasco, de la Rosa, Ramírez, & Volke, 2005).

El tratamiento de los desechos líquidos varía de acuerdo con su concentración,

cantidad e identidad del desecho; dentro de los tratamientos más comunes están: la

adsorción en carbón activado, el uso de procesos biológicos, la precipitación y

neutralización; en el caso de los desechos gaseosos, los tratamientos más comunes son la

adsorción y absorción y para aquellos desechos peligrosos que sean sólidos o semi-sólidos,

7

las tecnologías a aplicar dependen de la cantidad, composición, tamaño de partícula y

humedad que pueda contener dicho desecho; las técnicas de tratamiento más usuales son la

incineración, el tratamiento biológico, la estabilización/solidificación, centrifugación y

filtración (Volke & Velasco, 2002; Velasco et al., 2005).

Otras tecnologías utilizadas para el tratamiento de metales pesados ya sea para el

tratamiento de aguas o terrenos son la floculación, oxidación/reducción,

electrorremediación, vitrificación, ceramización, fitorremediación, entre otros (Volke &

Velasco, 2002; Velasco et al., 2005).

1.4. Solidificación/Estabilización

La S/E, se encuentra dentro de las tecnologías de tratamiento fisicoquímicas, las

cuales aprovechan las propiedades físicas y/o químicas de las sustancias peligrosas en

cuestión, para destruir, separar o contener/inmovilizar dicho contaminante. La S/E es un

proceso en el que el desecho peligroso se mezcla con aditivos para inmovilizar aquellas

especies tóxicas y así disminuir o eliminar su lixiviación al medio (Poon & Lio, 1997). Los

procesos de S/E son utilizados para dar tratamiento a todo tipo de contaminantes

inorgánicos, tales como metales pesados; así como también para la inmovilización de

materiales con dificultades de manejo o de grandes volúmenes de desechos, tantos sólidos

como líquidos (EPA, 1997; Volke & Velasco, 2002; EPA, 2007).

En los procesos de S/E, la solidificación se refiere a las técnicas que encapsulan al

material peligroso para formar un material sólido; además, en este caso no se da

necesariamente una interacción química entre el material peligroso y los aditivos

solidificantes (EPA, 1999).

La estabilización limita la solubilidad o movilidad del desecho peligroso,

generalmente por la adición de reactivos que aseguren que estas sustancias peligrosas se

mantengan en su forma menos móvil o tóxica; dichos reactivos pueden ser: cemento, cal,

puzolanas o polímeros (EPA, 2007; 2012).

8

Para llevar a cabo este tipo de tratamiento de forma sencilla y con excelentes

resultados; es de suma importancia cuidar varios aspectos para que no haya problema con el

uso de la S/E y con el desecho a tratar; dichos aspectos son: el material solidificante a

utilizar; el tipo de contaminante a tratar, la concentración del contaminante y el medio en el

cual se encuentra el desecho.

Los procesos de S/E están elaborados para que se puedan cumplir con algunos de

los siguientes objetivos:

Lograr la reducción de la movilidad o solubilidad del desecho en el ambiente, lo que

disminuye el riesgo de propagación del mismo hacia otros medios.

Lograr una adecuada manipulación del desecho mediante la formación de nuevos

materiales sólidos libres de líquidos, lo que permite evitar su dispersión al ambiente.

Disminuir la probabilidad de que el desecho pueda entrar en contacto con el

ambiente que lo rodea y así limitar la transferencia o pérdida del contaminante por

medio de su lixiviación al medio; con esto se evita la contaminación de otras áreas

que se puedan ver afectadas por este factor.

Las metodologías de tratamiento de S/E también cuentan con distintas técnicas,

tales como la vitrificación, ceramización y la cementación. Dado que el cemento es un

material muy común en construcción, el uso del mismo resulta muy accesible, barato y

sencillo; en comparación con los otros procesos de tratamiento, los cuales involucran el uso

de mucha energía y costo elevado, tal como el caso de la vitrificación o la incineración; es

por ello que la técnica de tratamiento de la cementación es la técnica que se eligió para

realizar este trabajo.

9

1.4.1. Cementación de desechos peligrosos

La cementación de desechos, consiste en la mezcla del cemento con el contaminante

a tratar. Esta técnica busca una disminución de la toxicidad y movilidad del desecho,

mediante la formación de una especie estable y de una matriz sólida que ayude a encapsular

y estabilizar dicho contaminante dentro de la masa cementicia resultante.

La cementación se puede utilizar para dar tratamiento a los desechos industriales;

suelos contaminados, lodos o sedimentos; así como una variedad de desechos peligrosos

tales como metales pesados y algunas sustancias orgánicas. Sin embargo, en el caso de

estas últimas se necesita el uso de aditivos adecuados para evitar su posterior lixiviación

(Portland Cement Association (PCA), 2013).

En el tratamiento de S/E por cementación, la solidificación se da al mezclar el

desecho peligroso con el cemento, lo que causa el endurecimiento de la mezcla transcurrido

cierto tiempo, y previene la dispersión del contaminante al medio; mientras que, la

estabilización cambia los desechos peligrosos en sustancias menos peligrosas o menos

móviles; por ejemplo: para el tratamiento de aguas residuales contaminadas con metales

pesados, la solidificación se da cuando la mezcla del desecho y cemento se fragua para

formar una matriz sólida, mientras que la estabilización viene dada con la interacción entre

el metal y el cemento para generar los respectivos hidróxidos del metal u otras sales

(ecuación 1, 2 y 3) , con lo cual se disminuye su solubilidad y, por lo tanto, se evita su

propagación hacia el ambiente.

𝑍𝑛+2 + 2𝑂𝐻− → 𝑍𝑛(𝑂𝐻)2 (1)

𝐴𝑠2𝑂3 + 3𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 → 𝐶𝑎3(𝐴𝑠𝑂4)2 + 2𝐻2𝑂 (2)

𝐴𝑠2𝑂3 + 2𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 → 2𝐶𝑎𝐻𝐴𝑠𝑂3 + 𝐻2𝑂 (3)

Uno de los principales factores que se deben tomar en cuenta al aplicar algunas de

las técnicas de solidificación/estabilización, es la tasa de lixiviación de los contaminantes;

10

ya que este valor ayuda a decidir, si la aplicación de la técnica utilizada para un

contaminante dado es la más adecuada para el tratamiento y disposición final de los

desechos a eliminar. Es por ello, que una vez realizada la mezcla entre el desecho peligroso

y el cemento, para producir una matriz cementicia con las proporciones y propiedades

deseadas (tamaño, composición de desecho y cemento, trabajabilidad1 de la mezcla, entre

otros); es importante realizar varias pruebas de lixiviación a la matriz sólida; para así, por

medio del análisis de los valores obtenidos, calcular la tasa de lixiviación de los

contaminantes a través del tiempo y asegurar la minimización de los riesgos de liberación

de los contaminantes al medio, y con esto garantizar una adecuada aplicación de la técnica

de tratamiento.

1.5. Cemento

Según el Diccionario de la Real Academia Española, podemos definir al cemento

como aquella “mezcla formada de arcilla y materiales calcáreos, sometida a cocción y muy

finamente molida, que mezclada a su vez con agua se solidifica y endurece” (Diccionario

de la Real Academia Española, 2014).

Al dosificar y mezclar adecuadamente el cemento con agua, arena y/o piedra se

puede producir un mortero (cemento, arena y agua) u hormigón o concreto (cemento, arena,

piedra y agua); así a la hora de elaborar un concreto se busca que éste presente cuatro

propiedades esenciales: Trabajabilidad, Cohesividad, Resistencia y Durabilidad. Con la

trabajabilidad se busca que éste sea fácil de colocar, compactar y dar un acabado una vez

realizada la mezcla de concreto; con la cohesividad se quiere que el concreto se mantenga

unido mientras se encuentra en su estado fresco, para terminar con una resistencia y

1 Trabajabilidad: Es la facilidad o dificultad que presenta el concreto a la hora de mezclar,

colocar y transportar.

11

durabilidad a través del tiempo, el cual sea resistente a los cambios de temperatura y al

desgaste por los factores ambientales (IMCYC, 2004).

La cantidad de agua y cemento (relación a/c) utilizada para la fabricación de

concreto se encuentra ligada a la resistencia y trabajabilidad del mismo, como puede

observarse en el cuadro 1, cuanto mayor sea la cantidad de agua utilizada en la elaboración

de la mezcla de concreto, aumenta su fluidez y por lo tanto su trabajabilidad; sin embargo

la resistencia del producto final comienza a disminuir debido al mayor volumen de espacios

creados por el agua libre (Guevara et al., 2012).

Cuadro 1. Relación inversa entre la resistencia del concreto y la proporción a/c

utilizada.

Relación a/c Resistencia (kg/cm2)

0,36 420

0,40 370

0,45 340

0,50 295

0,55 275

0,60 230

0,65 220

0,70 185

0,75 165

0,80 140

Hay que tener en cuenta que los cementos están compuestos de diferentes

materiales, los cuales al ser adecuadamente dosificados durante el proceso de producción,

brindan diferentes características físicas y químicas, así como resistencias adecuadas para el

uso que se les desea dar; además es importante que alguno de ellos posea un

12

comportamiento hidráulico, es decir, que tenga la propiedad de reaccionar con el agua para

formar una mezcla aglutinante o adherente. Dentro de los componentes del cemento se

tienen los siguientes (Jiménez Montoya, García Meseguer, & Moran Cabre, 2000):

Clinker (K): product que se obtiene de la calcinación de ciertas mezclas de calizas,

arcillas y bauxitas, las cuales se encuentran dosificadas en distintas proporciones

procurando obtener un producto final en el que estos componentes se encuentren lo

más homogéneos posible.

Escorias siderúrgicas o escorias de alto horno (S): material granulado obtenido por

el enfriamiento brusco, ya sea por aire o por agua, procedente de los procesos

siderúrgicos; las escorias siderúrgicas deben poseer un carácter básico y un

comportamiento hidráulico para que sean de utilidad en la fabricación de cementos.

Puzolanas naturales (P): son por lo general rocas volcánicas de naturaleza alcalina,

las cuales cuando se encuentran finamente divididas no poseen ningún

comportamiento hidráulico, pero que al poseer constituyentes, tales como la sílice y

alúmina, son capaces de formar compuestos con comportamientos hidráulicos al

entrar en contacto con agua a temperatura ambiente.

Cenizas volantes (V): son residuos sólidos que se encuentran en los polvos

provenientes de los gases de combustión de los quemadores de las centrales

termoeléctricas, las cuales están alimentadas por carbones pulverizados; estas

cenizas son obtenidas mediante la precipitación electrostática o por medio de la

captación mecánica.

Humo de sílice (D): son partículas de un diámetro muy pequeño formadas

principalmente por sílice, las cuales se generan como subproducto de la obtención

13

del silicio y del ferrosilicio; estas son reducidas en un horno eléctrico de cuarzo

junto con carbón, recogiéndose el humo generado mediante un filtro electrostático.

Caliza o filler calizo (L): son compuestos que están formados en su mayoría por

carbonato de calcio en forma de calcita, los cuales al ser molidos finamente junto

con el clinker en proporciones determinadas ayudan a favorecer las propiedades y

comportamientos de los hormigones o mezclas de cemento, ya sea que se

encuentren en estado endurecido o en estado fresco. Las calizas ayudan en la

dispersión, hidratación, capilaridad, fisuración, permeabilidad, trabajabilidad,

retracción o retención del agua del hormigón o mezcla de cemento.

De acuerdo con la composición de los elementos mencionados anteriormente y al

uso que se le vaya a brindar, los cementos pueden ser clasificados en cinco tipos, tal y

como se observa en el cuadro 2 (Jiménez Montoya et al., 2000; IMCYC, 2009 y ONNCCE,

2009).

14

Cuadro 2. Composiciones de los distintos tipos de cementos.

Tipo Designación Componentes (% m/m)

K S D P V L Minoritario

I Cemento

Portland 95-100 - - - - - 0-5

II

Cemento

Portland con

escoria

80-94 6-20 - - - - 0-5

Cemento

Portland con

humo de sílice

90-94 - 6-10 - - - 0-5

Cemento

Portland con

puzolana

80-94 - - 6-20 - - 0-5

Cemento

Portland con

ceniza volante

80-94 - - - 6-20 - 0-5

Cemento

Portland con

caliza

80-94 - - - - 6-20 0-5

Cemento

Portland mixto 80-94 - 0-10 6-20 - 0-5 0-5

III Cemento de

horno alto 35-64 36-65 - - - - 0-5

IV Cemento

Puzolánico 65-89 - 0-10 11-35 - - 0-5

V Cemento

Compuesto 40-64 18-30 - 18 30 - 0-5

K: Clíncler; S: Escorias de alto horno; D: Humo de sílice; P: Puzolanas naturales; V: Cenizas volantes; L: Caliza.

1.6. Cemento Portland

El cemento Portland es un producto que consta de una serie de compuestos que le

brindan las características deseadas por el consumidor; tales como, su comportamiento

hidráulico y su resistencia a la compresión, originadas durante su período de fraguado. Esta

etapa inicia cuando el cemento Portland entra en contacto con el agua para producir una

serie de reacciones entre los componentes del cemento y el agua, cuyos productos

15

coloidales y microcristalinos resultantes, se endurecen con el paso del tiempo lo que le

brinda un carácter hidráulico y de gran resistencia a la masa cementicia resultante.

Una vez terminada la etapa de fraguado, se inicia posteriormente la etapa de curado;

en esta etapa se busca mantener la mezcla de cemento humedecida con agua por un período

aproximado de veintiocho días a una temperatura ambiente; con esto se pretende sustituir

los espacios ocupados por el cemento sin hidratar con los productos de hidratación del

mismo y así darle las características de resistencia a la compresión e hidráulicas deseadas

en su elaboración.

Según la Norma IRAM 50 000 (2010) la definición para cemento Portland es

“Conglomerante hidráulico obtenido como producto en una fábrica de cemento, que

contiene al clinker Portland como constituyente necesario. Es un material inorgánico

finamente dividido que, amasado con agua, forma una pasta que fragua y endurece en

virtud de reacciones y procesos de hidratación y que, una vez endurecido, conserva su

resistencia y estabilidad incluso bajo el agua”. También se da la definición para el clinker

de cemento Portland, “Producto que se obtiene por cocción hasta fusión parcial

(clinquerización) de mezclas íntimas, denominadas crudos, preparadas artificialmente y

convenientemente dosificadas a partir de materias calizas y arcillas, con la inclusión de

otros materiales que, sin aportar elementos extraños a los de composición normal del

cemento, facilitan la dosificación de los crudos deseada en cada caso” (Norma IRAM

50000, 2010). La mezcla cruda terminada debe tener una composición química que oscile

entre los valores que se muestran en el cuadro 3 (Hooker, 2008).

16

Cuadro 3. Composición química del cemento.

Componente % m/m

CaO 60-69

SiO2 14-24

Al2O3 3-8

Fe2O3 1-8

MgO < 5

K2O, Na2O < 2

SO3 < 3

Sin embargo fue hasta 1824 que apareció el término cemento Portland, gracias a

Joseph Aspdin, constructor de Leeds, dicho término aparece en su primera patente y en ella

se reconocía el valor de los terrones aglutinados. Él observó que cuando esa escoria dura se

molía y se mezclaba con agua, producía un cemento con buenas características hidráulicas.

El mortero (mezcla de cemento, agua y arena) fraguado que se obtenía con este cemento era

de un color muy similar a la piedra natural extraída de las canteras de Portland Inglaterra, lo

que provocó que Aspdin le diera el nombre de cemento Portland a este material; sin

embargo, no fue hasta años más tarde que Isaac Charles Johnson, gerente de J. B. White

Company, descubrió el “verdadero” cemento Portland, al observar que los nódulos

sobrecocidos encontrados en los hornos de Aspdin, aunque fraguaban lentamente después

de molidos, daban mejor cemento que el producto fabricado normalmente. Johnson mejoró

las proporciones de caliza (CaCO3) y arcilla (Al2O3·2SiO2·2H2O), además elevó la

temperatura de trabajo de los hornos, ya que sugirió que la condición principal para la

fabricación del cemento Portland era llegar a un principio de fusión (Ryan, 1929; Hall,

1976; Meade, 1926).

17

1.7. ICE

El Instituto Costarricense de Electricidad (ICE) fue creado por el Decreto-Ley No.

449 del 8 de abril de 1949 y su creación fue el resultado de una larga lucha por la búsqueda

de una solución a los problemas de escasez de energía eléctrica en esa época; su objetivo

principal era el de explotar de manera sostenible las fuentes generadoras de electricidad;

para así poder brindarle un adecuado servicio eléctrico a la comunidad costarricense.

Esta institución no sólo se dedica a brindar el servicio eléctrico del país, sino que

también ofrece el servicio de telecomunicaciones al ciudadano costarricense; por lo que

gracias a estos servicios el ICE ha estado desarrollado diferentes actividades para la mejora

continua de estos; tal como la creación del CICorr (Centro de Investigación en Corrosión)

el cual fue inaugurado en 1998 en respuesta a la búsqueda de una solución al problema de

la corrosión que sufren las infraestructuras elaboradas por el ICE alrededor de todo el país.

El CICorr brinda su ayuda mediante la elaboración de diferentes tipos de análisis o ensayos,

dentro de los cuales se pueden mencionar los siguientes:

Evaluación y diagnóstico de corrosión en estructuras de concreto.

Estudios de corrosión atmosférica en metales, recubrimientos,

concreto, entre otros.

Determinación de la velocidad de corrosión de materiales metálicos

en distintos ambientes.

Control y prevención de problemas de corrosión específicos.

Además de estos ensayos, el ICE también fabrica tarjetas electrónicas para usarlas

en telecomunicaciones, éstas tarjetas deben pasar por baños de limpieza y electrolíticos;

con el fin de electrodepositar el cobre y otros metales en la parte plástica de la tarjeta para

que conduzca la corriente a través del circuito en que se vaya a emplear. Este proceso y

otras actividades realizadas por esta institución, generan gran variedad de desechos

18

químicos, como por ejemplo, desechos de transformadores, aceites o sustancias inorgánicas

como metales pesados (cromo, estaño, paladio, plomo, cobre, entre otros). Según la

actividad realizada, la generación de estos desechos puede variar, desde muy grande en

algunas actividades (˃ 100 kg o L) a muy pequeña en otras (< 10 kg o L); la mayoría de

estos desechos se han almacenado por largos periodos de tiempo, hasta encontrar una

apropiada gestión (almacenamiento, transporte y eliminación) debido a la falta de personal

capacitado y a la falta de tecnología óptima para una disposición adecuada.

El ICE siempre se encuentra en la búsqueda de formas adecuadas para solucionar

los problemas que se les presentan; en este caso, se trata de la adecuada disposición final de

sus desechos; ya que debido a su toxicidad, representan un peligro para el ambiente, por lo

que no pueden ser descartados como un desecho ordinario; sino que deben pasar por un

adecuado proceso de desactivación y disminución de su peligrosidad para que finalmente

puedan ser descartados sin que perjudique al ambiente o al ser humano.

Es por lo anterior que el objetivo de este trabajo, es evaluar si la tecnología de

tratamiento de solidificación/estabilización a base de cemento es un adecuado tratamiento

para los desechos de estaño, plomo y cobre sin que lleguen a generar un problema al

ambiente.

1.8. Objetivos:

Los objetivos propuestos para el presente trabajo son:

1.8.1. Objetivo General

Valorar la cementación de disoluciones de metales pesados (Pb+2

, Sn+2

y Cu+2

)

provenientes del ICE como práctica de tratamiento amigable con el ambiente.

19

1.8.2. Objetivos Específicos

1. Comparar la capacidad de retención de metales pesados (Pb+2

, Sn+2

y Cu+2

) en dos

proporciones agua/cemento Portland Ordinario (0,45 y 0,65).

2. Determinar la cantidad de metal lixiviado en un tiempo dado en mezclas con

cemento Portland Ordinario.

20

CAPITULO 2:

SECCIÓN

EXPERIMENTAL

Equipo:

1. Para la medición de los valores de pH de las distintas aguas se utilizó un pH

metro marca DAIGGER 5500; modelo 6173pH; número de serie JC01607.

2. Para las mediciones de metales por absorción atómica, se utilizó un equipo

Varian; modelo AA240FS con un horno modelo GTA120 con lámparas de

cátodo hueco marca Varian.

Materiales:

1. Para las mediciones por absorción atómica se utilizaron las siguientes

disoluciones: a) Disolución de nitrato de paladio 10 000 mg/L; C.F. Perkin

Elmer; Part No. BO19 0635; Batch No. B0559189 y b) Disolución de nitrato de

magnesio 10 000 mg/L; C.F. Perkin Elmer; Part No. BO19 0634; Batch No.

162.

2. Para la fabricación de las distintas probetas de cemento, se utilizaron los

siguientes materiales suministrados por el ICE de Colima de Tibás: arena de río,

piedra, cemento Portland Ordinario y disolución de metales pesados; se

dosificaron tal como se establece en el cuadro 4, con el fin de realizar la

elaboración de las probetas para obtener una relación a/c de 0,45 en unos casos y

0,65 en otros.

21

Cuadro 4. Dosificación de materiales para la elaboración de las probetas de metal pesado-

concreto.

Material utilizado Cantidad utilizada

Relación a/c 0,45 Relación a/c 0,65

Arena (g) 4 200,0 ± 0,2 4 400,0 ± 0,2

Piedra (g) 4 200,0 ± 0,2 3 600,0 ± 0,2

Cemento PO (g) 2 000,0 ± 0,2 1 750,0 ± 0,2

Disolución de metales pesados (mL) 1 250 ± 10 1 350 ± 10

a/c: Relación agua/cemento.

Las disoluciones de metales pesados que se utilizaron en el presente trabajo, fueron

las disoluciones generadas en el ICE de Colima de Tibás durante la elaboración de los

distintos procesos efectuados en este lugar. Estas disoluciones son las siguientes:

Disolución de cobre: Ésta proviene del baño de cobre utilizado para

sumergir las tarjetas electrónicas; los componentes de esta disolución son,

sulfato de cobre, ácido sulfúrico, cloruros y aditivos. La concentración de

cobre en esta mezcla es de 16 500 mg/L.

Disolución de plomo y estaño: Ésta proviene del baño de Sn/Pb utilizado

también para sumergir las tarjetas electrónicas; dentro de éste se encuentra,

fluorborato de plomo, ácido fluorbórico, fluorborato de estaño, ácido bórico

y ácido fluorhídrico. La concentración de plomo y estaño en esta mezcla es

de 0,36 mg/L cada uno.

Fabricación de probetas: Para la elaboración de las distintas probetas de concreto;

se adaptó el procedimiento señalado por la norma ASTM C31/C31M, 2009 (para cualquier

consulta de la misma ver la sección de Anexos, páginas 76-81); la cual se explicará

22

adelante con más detalle. Estas probetas se fabricaron al utilizar las cantidades de

materiales dados en el cuadro 4 y la descripción de cada una de ellas se muestra en el

cuadro 5. Una vez elaborado el concreto y antes de realizar el vaciado manual del mismo,

se debe humedecer la probeta de acero con una ligera capa de aceite, para así evitar que el

concreto se adhiera a la misma y con esto, asegurar una adecuada separación de los moldes

metálicos una vez cumplida su etapa de fraguado. El vaciado del concreto dentro de la

probeta metálica se efectuó de forma manual; a un tercio de la capacidad de la probeta de

acero, posteriormente se golpeó con una varilla de acero de 50 cm de longitud, hasta

realizar 25 golpes en espiral alrededor de la probeta (figura 1a), con el fin de asegurar la

eliminación de cualquier burbuja de aire dentro de la matriz cementicia. Posteriormente se

realizó nuevamente el vaciado del concreto dentro de la probeta hasta una altura de dos

tercios de la misma, nuevamente se golpeó 25 veces con la varilla en forma de espiral y

asegurándose de introducir la varilla por lo menos dos centímetros de la capa anterior

(figura 1b). Por último se terminó de completar el volumen total de la probeta con el resto

del concreto y se realizó el golpeteo 25 veces más en forma de espiral y se traspasó unos

dos centímetros la capa intermedia (figura 1c); cualquier excedente de concreto se eliminó

mediante una plancha metálica, para alisar la superficie expuesta (figura 1d). Las

dimensiones de la probeta utilizada fueron de 15 cm de diámetro por 30 cm de alto,

fabricada de acero, la cual cuenta con cierre a presión (figura 2).

Las probetas permanecieron cerradas por aproximadamente cuarenta y ocho horas

mientras se completaba el fraguado del concreto; una vez terminado este plazo se

desmontaron, se colocaron en un ambiente húmedo por veintiocho días y se comenzó con la

etapa de curado.

23

Figura 1. Esquema de la fabricación de la probeta de concreto.

Figura 2. Probeta de hierro utilizada para la elaboración de las probetas de concreto.

Pruebas de lixiviación: Se utilizó cada una de las probetas fabricadas en la sección

anterior. Tal y como se indica en el cuadro 5; cada una de estas probetas fue destinada a

tres pruebas de lixiviación: lixiviación de la probeta entera, lixiviación de la sección entera

y lixiviación para el bloque granular; según la prueba realizada, se utiliza la probeta entera

o una sección de la misma, ya sea en forma granular o entera. Además, para estas pruebas

24

de lixiviación, se utilizó cuatro medios lixiviantes: agua de lluvia, agua de tubo, agua

destilada y agua desionizada. Los diferentes medios se usan con el fin de determinar si hay

alguna lixiviación de los metales ocluidos dentro de la matriz cementicia hacia el medio

lixiviante. Los valores de pH respectivos para cada una de estas aguas son los siguientes:

agua desionizada pH = 6,98; agua destilada pH = 6,03; agua de tubo pH = 5,61 y agua de

lluvia pH = 5,38.

Cuadro 5. Descripción de las distintas probetas de concreto utilizadas.

Denominación de la

probeta

Metal utilizado Relación a/c Prueba de lixiviación a

utilizar

P1 Cu+2

0,45 En corte

P2 Cu+2

0,45 Entera

P6 Cu+2

0,65 En corte

P9 Pb+2

/Sn+2

0,45 Entera

P10 Pb+2

/Sn+2

0,45 En corte

P11 Cu+2

/ Pb+2

/Sn+2

0,45 En corte

P12 Cu+2

/ Pb+2

/Sn+2

0,45 Entera

P13 Pb+2

/Sn+2

0,65 En corte

P14 Cu+2

/ Pb+2

/Sn+2

0,65 En corte

a/c: Relación agua/cemento.

A continuación se detallará con precisión el procedimiento a seguir en esta etapa.

Prueba de lixiviación de la probeta entera: Para esta prueba, debido a la cantidad

que se requiere de agua, al costo de la misma; así como de la factibilidad para

conseguirla, se utilizó solamente agua de tubo, se utilizó por completo las probetas

indicadas como P2, P9 y P12 elaboradas con los metales y mezclas descritas en el

25

cuadro 5. Se introdujo la probeta en un contenedor de plástico con la capacidad

suficiente para poder adicionar 12,5 L de agua de tubo para que cubriera por

completo la probeta. Estas probetas se dejaron en este medio por períodos de cinco

meses y veinticuatro meses; una vez transcurrido este tiempo se tomó una alícuota

de 100 mL de cada una, posteriormente se le hizo el respectivo análisis del

contenido de metales en la disolución lixiviante por medio de la técnica A.A.

Prueba de lixiviación de la sección entera: En este caso se ensayó con las probetas

P1, P6, P10, P11, P13 y P14 en los cuatro tipos de agua mencionados anteriormente.

Una vez concluido el periodo de fraguado y curado de las mismas, se procedió con

el corte de cada una de estas probetas; inicialmente se cortaron en cuatro barras de 5

x 5 x 30 cm y posteriormente, cada una de estas barras se cortaron en diez trozos de

5 x 5 x 3 cm, para obtener un total de cuarenta trozos de concreto con el metal o

mezcla de metales para realizar las pruebas (figura 3).

Figura 3. Esquema de la distribución y corte de las probetas elaboradas.

26

Para este ensayo, se tomaron las fracciones impares para realizar las pruebas de

lixiviación en las distintas aguas. Se introdujo cada muestra en un beaker de vidrio de 600

mL con 400 mL de agua (destilada, desionizada, de tubo y de lluvia). Se armó el sistema de

lixiviación (tal como se observa en las figura 4 y figura 16 de anexos), hasta que el bloque

quedó sumergido en el líquido, una vez concluida esta etapa, se agitó cada sistema

mediante pastilla magnética.

Figura 4. Sistema de lixiviación para la prueba de bloque entero.

La agitación de cada sistema se realizó de forma alternada: se agitó durante un día

(ocho horas) y se dejó otro día en reposo. Se tomó una alícuota de 100,00 mL después de

haber transcurrido cuatro días totales (dos días de reposo y dos días en agitación) para la

primera muestra; se envasó y se rotuló adecuadamente.

Para las demás muestras, los periodos de agitación y reposo se hicieron de forma

escalonada; es decir, el envasado y etiquetado de cada muestra se hacía en aumentos de

cuatro días totales, es decir, la segunda muestra se dejaba por ocho días; mientras que para

la muestra cinco, ésta quedaba por un periodo de agitación y reposo de veinte días (figura 5

parte A). A cada alícuota se le realizó un análisis del contenido de metales en la disolución

lixiviante, para determinar si se produjo algún lixiviado durante el tiempo que estuvo en

agitación.

27

Figura 5. Esquema de las pruebas de lixiviación en corte.

Prueba de lixiviación para el bloque morterizado o granular: Para este ensayo se

utilizaron los cuatro tipos de agua, así como las fracciones pares de los cortes de las

probetas P1, P6, P10, P11, P13 y P14.

Se morterizó cada una de las fracciones hasta obtener una forma granular de las

mismas. Para la prueba se utilizaron aproximadamente unos 20 g de muestra, los cuales se

colocaron en un beaker de vidrio de 400 mL con 300 mL de agua (desionizada, destilada,

de tubo y de lluvia). Posteriormente se puso en agitación cada sistema (figura 6 y figura 15

de anexos), se dejó en agitación por un día (ocho horas) y en reposo otro día. Y al igual que

en la prueba anterior, se tomó una alícuota de 100,00 mL después de haber transcurrido los

periodos de agitación y reposo para cada muestra (figura 5 parte B) y se le realizó un

análisis del contenido de metales en la disolución lixiviante, para determinar si se produjo

algún lixiviado por esta técnica durante el tiempo que estuvo en agitación.

28

Figura 6. Sistema de lixiviación para la prueba de bloque granulado.

Determinación del contenido de metales por absorción atómica: La determinación de

metales se realizó mediante la técnica de absorción atómica por horno de grafito para las

muestras que tengan estaño y plomo, con el uso de argón como gas inerte; mientras que

aquellas con cobre se midieron mediante Absorción Atómica por Llama con una mezcla de

aire/acetileno.

Todas las muestras se midieron por triplicado con lámparas de cátodo hueco, que

emiten a longitudes de onda de 217,0 nm, 286,3 nm y 324,8 nm para plomo, estaño y cobre

respectivamente. Para las mediciones de plomo y estaño se utilizó un modificador de

matriz, con el fin de eliminar cualquier interferencia que se pueda dar y así obtener mejores

resultados en el análisis. Este modificador está compuesto por dos disoluciones:

a) Disolución de nitrato de paladio 10 000 mg/L y

b) Disolución de nitrato de magnesio 10 000 mg/L.

Todas las curvas utilizadas para los distintos metales se prepararon en el momento

de la medición y se utilizó agua desionizada en cada una de ellas; estas curvas se hicieron

en los siguientes ámbitos de concentración:

29

Para plomo de: 2,5 µg/L - 50 µg/L

Para estaño de: 2,5 µg/L - 100 µg/L

Para cobre de: 0,16 mg/L - 10 mg/L

las cuales se midieron por triplicado, en el caso de las de plomo y estaño se utilizó el

modificador de matriz al igual que en las muestras.

Análisis de los resultados de las pruebas de lixiviación: se analizaron los resultados

de cada prueba realizada así como de cada tipo de agua utilizada con el propósito de

observar si se presenta una tendencia respecto a la cantidad del metal lixiviado a través del

tiempo.

30

CAPITULO 3:

RESULTADOS Y

DISCUSIÓN

Análisis físico de las probetas:

Se realizó un análisis físico, de la apariencia y textura de las probetas fabricadas; se

observó que para las probetas P9, P10 y P13 fabricadas con la mezcla de Sn/Pb después de

su periodo de fraguado y durante sus primeros días de curado mostraban una apariencia

normal y resistente tal como se puede apreciar en la figura 7; sin embargo después de unos

días más de curado su apariencia comenzó a cambiar, todo el material se lavó (figura 8)

hasta el punto en que estas probetas se desmoronaron con sólo el contacto.

Figura 7. Probetas de concreto de Sn/Pb en sus primeros días de curado.

31

Figura 8. Probetas de concreto de Sn/Pb después de varios días de curado.

Debido a lo anterior se fabricó nuevas probetas de cemento para la mezcla de Sn/Pb;

sin embargo para estas nuevas probetas no se siguió el procedimiento normal. En este caso

se tomó el mismo volumen de disolución contemplado en el cuadro 4, se precipitó todo el

estaño y plomo presente en la disolución como hidróxidos y se hizo pruebas de

precipitación y presencia de los mismos en la disolución, éstas dieron negativas,

indicándonos que dichos metales habían sido precipitados por completo.

Una vez precipitados los metales, se secó el precipitado para eliminar todo exceso

de agua, luego se elaboró las nuevas probetas de concreto con el uso de agua de tubo,

cemento, arena, piedra y el metal precipitado.

Posteriormente se observó que estas nuevas probetas una vez terminada su etapa de

fraguado y concluido su periodo de curado mostraban mejores características y firmeza que

las fabricadas con la disolución de metales; por lo que se trabajó con estas probetas para las

pruebas posteriores.

En el caso de las probetas P1, P2 y P6, las cuales fueron elaboradas con la

disolución de cobre presentaron una apariencia normal después del fraguado y durante todo

32

el período de curado; sin embargo, la textura de ellas quedó suave e incluso en algunas se

desprendió una parte de la probeta, tal como se puede observar en la figura 9.

Figura 9. Probetas de concreto de Cu después de varios días de curado.

A pesar de este inconveniente estas probetas se mantuvieron y se utilizaron para las

pruebas posteriores debido a que no hubo un desmoronamiento de las mismas como las

realizadas con la disolución de Sn/Pb. Para el caso de las probetas P11, P12 y P14, las

cuales fueron elaboradas con la mezcla de las disoluciones de metales (Sn/Pb/Cu) se

observó que al igual que en el caso de las fabricadas con cobre, se mostraron un poco

suaves al inicio del periodo de curado lo que hizo que en unas se desprendiera un pedazo de

la probeta, tal como se puede ver en la figura 10; mientras que después de unas semanas de

curado, la P14, la cual estaba muy bien al inicio presentó un leve lavado del material

hormigonado, tal como se aprecia en la figura 11; sin embargo, al final del período de

curado, se realizó nuevamente el análisis físico mediante observación y tacto de las

probetas y se obtuvo que todas ellas mostraron un buen comportamiento en cuanto a la

firmeza y dureza de las mismas, por lo que se utilizaron para las pruebas posteriores.

33

Figura 10. Probetas de concreto de Sn/Pb/Cu al inicio del período de curado.

Figura 11. Probetas de concreto de Sn/Pb/Cu después de unas semanas de iniciado el

período de curado.

34

Esta falta de dureza y firmeza en cada una de las probetas de concreto elaboradas se

debe a que, en todas ellas, siempre hubo algún factor que afectó el periodo de fraguado y

curado de las mismas, por ejemplo, la presencia de sulfatos puede llegar a generar daños en

el concreto, debido a que los sulfatos en disolución producen un agrietamiento o fisuración

del concreto por la formación de una sustancia expansiva, la cual es la responsable de que

se den estas fisuraciones o agrietamientos. Lo anterior se da debido a que el sulfato presente

reacciona con el hidróxido de calcio produciéndose sulfato de calcio dihidratado (yeso)

(ecuación 4), el cual a su vez reacciona con el aluminato de calcio hidratado para generar

sulfoaluminato de calcio (ecuación 5), que posee una estructura cristalina de mucho mayor

volumen que las sustancias que le dieron origen, lo que provoca la expansión y ruptura del

área del concreto donde se genera (Fernández Cánovas, 1994; GEHO-CEB. Grupo Español

del Hormigón., 1993; ACI 201.2R, 2001; IMCYC, 2006; Fernández, 2001; Fernanda

Carrasco, 2006).

𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 + 𝑁𝑎2𝑆𝑂4 → 𝐶𝑎𝑆𝑂4 + 2𝑁𝑎𝑂𝐻 (4)

3𝐶𝑎𝑆𝑂4 + 𝐶3𝐴 ∙ 32𝐻2𝑂 → 𝐶3𝐴 ∙ 3𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙ 32𝐻2𝑂 (5)

Según la nomenclatura cementera, 𝐶3𝐴 ∙ 32𝐻2𝑂 es el aluminato de calcio hidratado y

𝐶3𝐴 ∙ 3𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙ 32𝐻2𝑂 es el sulfoaluminato de calcio.

La presencia de cloruros en el medio; no daña directamente al concreto; pero afecta

la armadura de acero, lo que provoca la corrosión del mismo y deteriora la contextura del

concreto (Aïtcin, 2008; IMCYC, 2006; Fernández, 2001; Fernanda Carrasco, 2006).

Además de los sulfatos y cloruros; la presencia de algunas sales inorgánicas pueden afectar

la estabilidad del concreto o de su curado, por ejemplo: las sales de magnesio, plomo,

estaño, cobre y borato de sodio provocan una reducción en el desarrollo de la resistencia del

concreto, así como también afectan el tiempo de fraguado del mismo, retardándolo

considerablemente (IMCYC, 2006; Castells, 2000).

35

Para el caso del análisis de retención de metales en el hormigón, así como del

análisis de la concentración de metal lixiviada versus la permitida; los datos de

concentración de cada metal (plomo, estaño y cobre) se obtuvieron mediante interpolación

en una curva de calibración de absorbancia contra concentración del metal analizado, tal

como se observa en las figura 12, figura 13 y figura 14, , correspondientes a las gráficas

para plomo, estaño y cobre respectivamente (los demás gráficos para el resto de las

probetas se encuentran en la sección de anexos).

Figura 12. Curva de calibración de plomo de 2,5 µg/L a 50 µg/L para las muestras de la P11

con una longitud de onda de 217,0 nm.

36

Figura 13. Curva de calibración de estaño de 2,5 µg/L a 100 µg/L para las muestras de la P14



P14 con una longitud de onda de 324,8 nm.

37

Así, una vez interpolados los datos obtenidos del análisis por A.A. en cada uno de

los respectivos gráficos según la muestra analizada, se observó que los resultados

presentados en los cuadros 22 al 43 de la sección de anexos, muestran un comportamiento

anómalo, es decir, no presentaron alguna tendencia con respecto a la cantidad lixiviada del

metal a través del tiempo. Debido a lo anterior, se decidió utilizar los valores de mayor

lixiviación tabulados en el cuadro 6, cuadro 7 y cuadro 8, que son un resumen de los

cuadros contenidos en la sección de anexos (cuadro 10 al cuadro 20) para proceder con el

análisis del porcentaje de retención del metal en el hormigón, y de la concentración

lixiviada versus la permitida, tal como se explicará a continuación.

Análisis de retención de metales en el hormigón:

Para este análisis se calculó la capacidad del cemento PO para la retención de los

metales en la matriz cementicia, se utilizó los resultados obtenidos del análisis por

absorción atómica de cada uno de los metales analizados (cuyos gráficos y resultados

pueden ser consultados en la sección de anexos) y la ecuación 6 (Yilmaz, Ünlü, & Cokca,

2003) para obtener la eficiencia de retención de los metales:

𝐸𝑅 =(𝑀𝑀𝐼𝐻−𝑀𝑀𝐿)

𝑀𝑀𝐼𝐻𝑥100 (6)

Donde, ER = Eficiencia de retención del metal en el hormigón (%); MMIH = Masa del metal

incorporada en el hormigón (mg o g) y MML = Masa de metal extraída en el lixiviado (mg o

g).

La eficiencia de retención de cada metal, se obtuvo a partir de los valores de

concentración final de cada metal, una vez concluida la prueba de lixiviación (tabulados en

el cuadro 6, cuadro 7 y cuadro 8) y de las concentraciones iniciales utilizadas (mencionadas

en la página 18). Los resultados obtenidos para la eficiencia de retención de cada metal en

la matriz cementicia, se pueden apreciar en el cuadro 6, cuadro 7 y cuadro 8 para plomo,

estaño y cobre respectivamente.

38

Del cuadro 6 se puede apreciar que en el caso del plomo, el uso del cemento PO es

de gran utilidad para la S/E de este tipo de desechos, ya que se obtienen porcentajes de

retención superiores al 96% de este metal en dicha matriz cementicia. Los resultados

obtenidos de la prueba de lixiviación de las probetas enteras (P9 y P12); la eficiencia de

retención de este metal en ambas probetas se encuentra entre (97,3-99,9 ± 2,2) %, en los

períodos de cinco y veinticuatro meses. La diferencia observada para los resultados

obtenidos a los cinco y veinticuatro meses puede deberse a que el plomo disuelto se

adsorbe en las paredes del recipiente plástico; esto concuerda con lo descrito por Reimann

(Reimann, Siewers, Skarphagen, & Banks, 1999; Rochman, Hentschel, & Teh, 2014).

También, Riley sugiere que las propiedades de adsorción del plástico se deben a que, al ser

éste un líquido superenfriado posee altas energías de adsorción por la distorsión y ruptura

de sus enlaces; lo que conlleva a la adsorción de los iones metálicos del medio a las paredes

del recipiente plástico al transcurrir grandes períodos de tiempo. También lleva a la

formación de enlaces entre la superficie del plástico y los iones adsorbidos. Además Riley

menciona que las superficies del plástico bajo la influencia de oxígeno, calor o luz pueden

degradarse para dar origen a grupos carbonilos y carboxílicos, los cuales pueden mostrar

propiedades de adsorción (Robertson, 1968).

39

Cuadro 6. Concentración de plomo en el lixiviado (en itálica) y porcentaje de la eficiencia de retención (en negrita) de plomo en

el cemento PO para las distintas muestras analizadas.

Probeta y

prueba de

lixiviación

Concentración de plomo (mg/L) Porcentaje de retención de plomo (%)

Agua lluvia Agua tubo Agua destilada Agua

desionizada

Agua

lluvia

Agua tubo Agua

destilada

Agua

desionizada

P9/Probeta

entera*

- 0,027±0,003 - - - 97,3±2,2 - -

P9/Probeta

entera**

- 0,004±0,003 - - - 99,6±2,2 - -

P10/Sección

entera

0,024±0,004 0,027±0,004 0,040±0,004 0,017±0,004 97,9±2,2 97,6±2,2 96,4±2,2 98,5±2,2

P10/Granular < 0,006±0,004 < 0,006±0,004 0,007±0,004 0,0004±0,004 ˃ 99,6±2,2 ˃ 99,6±2,2 99,5±2 100,0±2,2

P11/Sección

entera

< 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 ˃ 99,7±2,2 ˃ 99,7±2,2 ˃ 99,7±2,2 ˃ 99,7±2,2

P11/Granular < 0,003±0,002 0,0006±0,002 0,0022±0,002 < 0,003±0,002 ˃ 99,8±2,2 100,0±2,2 99,9±2,2 ˃ 99,8±2,2

P12/Probeta

entera*

- 0,001±0,003 - - - 99,9±2,2 - -

P12/Probeta

entera**

- < 0,007±0,003 - - - ˃ 99,3±2,2 - -

P13/Sección

entera

0,037±0,003 0,031±0,003 0,034±0,003 0,041±0,003 96,7±2,2 97,2±2,2 97,0±2,2 96,4±2,2

P13/Granular 0,012±0,003 0,005±0,003 0,036±0,003 0,015±0,003 99,2±2,2 99,7±2,2 97,6±2,2 99,0±2,2

P14/Sección

entera

0,007±0,003 0,006±0,003 0,006±0,003 0,006±0,003 99,4±2,2 99,5±2,2 99,5±2,2 99,5±2,2

P14/Granular 0,013±0,003 0,004±0,003 0,005±0,003 0,006±0,003 99,1±2,2 99,7±2,2 99,7±2,2 99,6±2,2 (-): Prueba no realizada.

* Período de 5 meses.

** Período de 24 meses.

40

En el caso de las probetas rotuladas como P10 y P13, ambas fueron utilizadas en las

pruebas de lixiviación de la sección entera y granular, además cada una de ellas se preparó

con una relación a/c diferente, tal y como se puede observar en el cuadro 5, la P10 se

elaboró con una relación a/c de 0,45; mientras que la P13 se fabricó con una relación a/c de

0,65 para la elaboración de dichas pruebas. En este caso también se quería evaluar la

lixiviación del metal en ambas relaciones agua/cemento y con ello ver cuál relación era la

más adecuada en la preparación de los bloques para la solidificación/estabilización de dicho

desecho.

Al analizar los resultados del cuadro 6, en el caso de la P10, los porcentajes de

retención de plomo en la matriz cementicia se encuentran entre un (96,4-98,5) ± 2,2 % para

las secciones enteras y superiores al (99,5 ± 2,2) % para las granulares; mientras que en el

caso de la P13, los porcentajes de retención para las secciones enteras se encuentran entre

(96,4-97,2) ± 2,2 % y entre (97,6-99,7) ± 2,2 % para los de forma granular. Con esto se

reafirma la eficacia del cemento PO como un buen agente para la S/E de desechos de

metales con plomo, además se generan dos observaciones muy importantes para esta

técnica de tratamiento, en primer lugar la relación a/c utilizada para la elaboración de cada

una de las probetas no influyó en la retención del plomo en dicha matriz, por lo que se

podría utilizar cualquiera de las dos para la elaboración de productos de concreto

terminados en el tratamiento de S/E de plomo con cemento PO sin problemas de liberación

del mismo al ambiente. Y la segunda se trata del medio lixiviante utilizado, es decir, que en

este caso el uso del agua de lluvia, tubo, destilada o desionizada no afectó dicho proceso, lo

que nos brinda información importante para el uso de esta técnica al aire libre; con lo cual

no habría problema en cementar y disponer al aire libre los bloques de concreto elaborados

de esta forma.

Algo similar al caso de la P10 y P13 sucede con la P11 y P14; éstas fueron

elaboradas con una relación a/c de 0,45 y 0,65 respectivamente; pero diferenciándose de las

anteriores en que éstas dos fueron preparadas con la mezcla de todos los metales, es decir,

se elaboraron con una mezcla de plomo, estaño y cobre, dicho experimento se realizó para

ver si hay una variación en el uso de la S/E con cemento para el tratamiento conjunto de

41

dichos metales. En el caso de la P11 y P14 tanto para las secciones enteras como granular,

se obtuvieron valores superiores al (99,1 ± 2,2) %.

Nuevamente, tal y como ocurrió en experimentos anteriores, no hay una diferencia

en el uso de relaciones agua/cemento o un tipo de agua específico, ya que ambos casos dan

resultados muy similares; así que, con base en los resultados obtenidos con estas probetas, a

la concentración de cada metal utilizada y además de seguir los mismos pasos de

tratamiento, se puede afirmar que sí es posible utilizar una mezcla de este tipo de desechos

que se encuentran almacenados en el ICE de Colima de Tibás, para ser tratada mediante

esta técnica, ya que al comparar la P10/P13 vs P11/P14 se observa que, en ambos casos hay

una retención de plomo alta (mayor a 99 %), lo que nos dice que la presencia de otros

metales, que en este caso sería estaño y cobre, no afectan en la retención del plomo en la

matriz cementicia, por eso, hace la técnica aplicable tanto para el tratamiento de plomo por

individual o para el caso de una mezcla con estos otros metales.

Si se requiere un tratamiento para mezclas que contengan una concentración de

metales superior a las utilizadas en este trabajo, u otros metales presentes en el desecho a

tratar, se debe realizar nuevas pruebas para determinar si esta técnica es aplicable para estas

nuevas variables en los desechos que se quieran disponer mediante la S/E a base de

cemento PO.

En el cuadro 7 se muestran los resultados obtenidos en las pruebas de lixiviación

para la solidificación/estabilización del estaño en una matriz cementicia mediante el uso de

cemento PO y se puede notar la eficacia de este material para la retención del estaño, ya

que logra una gran retención del mismo por medio de esta técnica de tratamiento. Para la

realización de la prueba de lixiviación en la probeta entera, se utilizaron las probetas P9 y

P12, elaboradas con una relación a/c de 0,45 y con estaño; éstas se colocaron en agua de

tubo como medio lixiviante para así poder analizar su lixiviación con el paso del tiempo;

para la P9 y P12 se obtuvieron para periodos de cinco y veinticuatro meses, una efectividad

de retención de este metal en la matriz cementicia superiores al (98,8 ± 2,2) %.

42

Cuadro 7. Concentración de estaño en el lixiviado (en itálica) y porcentaje de la eficiencia de retención (en negrita) de estaño en

el cemento PO para las distintas muestras analizadas.

Probeta y prueba

de lixiviación

Concentración de estaño (mg/L) Porcentaje de retención de estaño (%)

Agua lluvia Agua tubo Agua destilada Agua

desionizada

Agua

lluvia

Agua tubo Agua

destilada

Agua

desionizada

P9/Probeta

entera*

- 0,006±0,003 - - - 99,4±2,2 - -

P9/Probeta

entera**

- < 0,012±0,007 - - - ˃ 99,8±2,2 - -

P10/Sección

entera

0,013±0,002 0,007±0,002 0,011±0,002 0,025±0,004 98,8±2,2 99,4±2,2 99,0±2,2 97,8±2,2

P10/Granular 0,046±0,008 0,040±0,007 0,060±0,009 0,052±0,009 96,9±2,2 97,3±2,2 96,0±2,2 96,5±2,2

P11/Sección

entera

< 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 ˃ 98,9±2,2 ˃ 98,9±2,2 ˃ 98,9±2,2 ˃ 98,9±2,2

P11/Granular < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 ˃ 99,2±2,2 ˃ 99,2±2,2 ˃ 99,2±2,2 ˃ 99,2±2,2

P12/Probeta

entera*

- < 0,012±0,007 - - - ˃ 98,8±2,2 - -

P12/Probeta entera**

- < 0,012±0,007 - - - ˃ 98,8±2,2 - -

P13/Sección

entera

0,013±0,004 0,013±0,004 0,010±0,004 0,069±0,004 98,4±2,2 98,4±2,2 99,1±2,2 93,9±2,2

P13/Granular 0,012±0,005 0,005±0,004 0,012±0,004 0,002±0,005 99,2±2,2 99,7±2,2 99,2±2,2 99,9±2,2

P14/Sección

entera

< 0,007±0,004 < 0,007±0,004 < 0,007±0,004 < 0,007±0,004 ˃ 99,4±2,2 ˃ 99,4±2,2 ˃ 99,4±2,2 ˃ 99,4±2,2

P14/Granular < 0,007±0,004 < 0,007±0,004 < 0,007±0,004 < 0,007±0,004 ˃ 99,5±2,2 ˃ 99,5±2,2 ˃ 99,5±2,2 ˃ 99,5±2,2 (-): Prueba no realizada.



43

Además, los valores obtenidos en los períodos de veinticuatro meses, son valores

que tienen una pérdida del estaño a través del tiempo, debido a la adsorción del mismo

dentro de las pareces del recipiente plástico utilizado para la realización de estas pruebas de

lixiviación.

Las pruebas de lixiviación de las secciones enteras y granulares de las P10 y P13 se

pueden observar también en el cuadro 7; aunque estas probetas se elaboraron con una

relación a/c diferente una respecto a la otra, los resultados obtenidos son muy similares; la

P10 se preparó con una a/c de 0,45 y la P13 con una a/c de 0,65; para la P10, la eficiencia

de retención del estaño en la prueba de la sección entera, fueron entre un (97,8-99,4) ± 2,2

%; mientras para la prueba granular fueron entre un (96,0-97,3) ± 2,2 %. Para la prueba de

la sección entera de la P13, cuyo medio lixiviante fue el agua de tubo, de lluvia y destilada

los resultados de la eficiencia de retención que se obtuvieron fueron entre un (98,4-99,1) ±

2,2 %; mientras que con agua desionizada se obtuvo un valor del (93,9 ± 2,2) %. Este

último valor posee un comportamiento anómalo con respecto a los demás, debido a que se

utilizó agua desionizada, la cual, al estar libre de iones, provoca una mayor liberación del

metal contenido en el concreto hacia el medio acuoso, por eso produce una mayor

lixiviación del metal en comparación con las otras tres aguas utilizadas. Para la prueba en

forma granular los resultados obtenidos para la retención del estaño en el cemento fueron

superiores a los (99,2 ± 2,2) %. Para esta probeta los valores obtenidos también son muy

similares entre sí, por lo que se puede decir que al igual que el plomo, el estaño se retiene

en la matriz cementicia sin importar la relación agua/cemento utilizada o el medio

lixiviante utilizado, y así ratificar el uso de esta técnica para el tratamiento de desechos de

estaño como un procedimiento adecuado para el ambiente.

Los resultados de las muestras P11 y P14, las cuales se prepararon con una relación

a/c de 0,45 y 0,65 respectivamente y con una mezcla de metales (plomo, estaño y cobre)

para poder ver si dicha combinación de metales afecta la retención del estaño dentro de la

matriz cementicia. Tal y como se puede observar, los valores obtenidos en ambas muestras

son superiores al (99,1 ± 2,2) %; por lo que nuevamente y al igual que en el caso del plomo,

44

es posible utilizar la S/E a base de cemento PO para el adecuado tratamiento de una mezcla

de desechos de este tipo de metales provenientes del ICE de Colima de Tibás.

El cuadro 8 nos muestra los resultados obtenidos de las pruebas de lixiviación para

la retención del cobre dentro de la matriz cementicia; a diferencia del estaño y plomo

mencionados anteriormente, para el caso del cobre y como se puede apreciar en el cuadro 8,

todos los valores obtenidos para este metal fueron no detectables (inferiores al límite de

detección) en todas las mediciones realizadas para las distintas pruebas de lixiviación.

Estos valores no detectables por el equipo utilizado, se deben a que para las

mediciones del cobre, se utilizó la técnica de medición de absorción atómica por llama, ya

que a diferencia del plomo y estaño, la concentración inicial de cobre utilizada para la

elaboración de cada una de estas probetas era elevada. Esta diferencia de concentraciones (de

16 500 mg/L de cobre contra los 0,36 mg/L para plomo y estaño) se debe a que para la

realización de este trabajo, se utilizaron las disoluciones de desechos tal y como se generan

en el Instituto Costarricense de Electricidad; ya que la idea es, ver si con esta técnica es

posible, estabilizar e inmovilizar estos desechos sin la necesidad de diluir o realizar algún

otro tipo de tratamiento a los mismos (con el fin de no incurrir en gastos adicionales en el

procedimiento realizado). Para evitar una saturación del horno de grafito y del detector (y por

tanto datos erróneos debido a esta saturación) si se utilizaba la misma técnica de medición

que para el plomo y estaño (absorción atómica por horno de grafito), se decidió realizar estas

mediaciones por absorción atómica por llama.

Al obtener estos valores no detectables por el equipo utilizado, se puede inferir que el

cobre fue retenido dentro de la matriz cementicia; lo que impide su liberación al medio

lixiviante; por lo tanto, el uso de cemento PO, es un buen material para la S/E de este tipo de

desechos.

45

Cuadro 8. Concentración de cobre en el lixiviado (en itálica) y porcentaje de la eficiencia de retención (en negrita) de cobre en el

cemento PO para las distintas muestras analizadas.

Probeta y prueba de

lixiviación

Concentración de cobre (mg/L) Porcentaje de retención de cobre (%)

Agua

lluvia

Agua tubo Agua

destilada

Agua

desionizada

Agua lluvia Agua tubo Agua

destilada

Agua

desionizada

P1/Granular < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2

P2/Probeta entera*

- < 1,1±0,6 - - - ˃ 100,0±2,2 - -

P2/Probeta entera**

- < 1,1±0,6 - - - ˃ 100,0±2,2 - -

P6/Granular < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2

P11/Sección entera < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2

P11/Granular < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2

P12/Probeta entera*

- < 1,1±0,6 - - - ˃ 100,0±2,2 - -

P12/Probeta entera**

- < 1,1±0,6 - - - ˃ 100,0±2,2 - -

P14/Sección entera < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2

P14/Granular < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 ˃ 100,0±2,2 (-): Prueba no realizada.



46

Análisis de concentración lixiviada versus la permitida:

Se analizan y comparan los resultados de lixiviación de cada metal obtenidos del

cuadro 6, cuadro 7 y cuadro 8 con los valores del cuadro 9, los cuáles son las

concentraciones máximas permitidas de cada metal para liberar por el sistema de

alcantarillado o en cuerpos de agua y con esto determinar si la concentración lixiviada de

plomo, estaño y cobre se encuentra por debajo de lo permitido en la legislación (según el

Reglamento de Vertido y Reuso de Aguas Residuales (MINAE, 2007)).

Cuadro 9. Límites máximos permitidos para el vertido de Pb, Sn y Cu (MINAE, 2007).

Metal Concentración máxima permitida (mg/L)

Alcantarillado Cuerpos de agua

Plomo 0,5 0,5

Estaño - 2

Cobre 2 0,5

Para el caso del plomo, se puede observar en el cuadro 6, que en todas las muestras,

la concentración de plomo liberada al medio no supera los 0,05 mg/L; en forma más

detallada, para el caso de la muestras de la P9 y P12 utilizadas en la prueba de lixiviación

de la probeta entera, éstas presentan concentraciones máximas de (0,027 ± 0,003) mg/L y

(0,007 ± 0,003) mg/L respectivamente, para las probetas de la P10, P13 y P14 utilizadas en

las pruebas de las secciones enteras, las concentraciones máximas de lixiviación se

encuentran entre (0,007 a 0,041) mg/L y para la P11 se tienen valores inferiores a (0,003 ±

0,002) mg/L; esto significa que los valores de plomo en este caso se encuentran por debajo

del límite de detección del equipo utilizado; para las pruebas en forma granular, los valores

obtenidos para la P10, P11, P13 y P14 van de (0,007 a 0,036) mg/L de plomo lixiviado. Por

lo tanto, al tomar el valor máximo de (0,041 ± 0,003) mg/L de plomo lixiviado en

comparación a los 0,5 mg/L de plomo permitidos por la legislación (cuadro 9), sí es posible

disponer de esta forma desechos contaminados con plomo, ya que la cantidad máxima

47

lixiviada de este metal es de unas diez veces menor con respecto a la establecida como la

concentración máxima permitida a ser vertida al ambiente.

En el caso del estaño, al ver los resultados del cuadro 7, se observa que hay un

comportamiento muy similar al plomo, se obtuvo una concentración lixiviada de estaño

máxima de 0,07 mg/L; los valores para las muestras de la P9 y P12 en las pruebas de

lixiviación de la probeta entera mostraron valores lixiviados de (0,006 ± 0,003) mg/L y

menores a (0,012 ± 0,007) mg/L respectivamente, este último resultado implica que la

concentración de estaño en el medio se encuentra por debajo del límite de detección del

equipo utilizado. Para las muestras de la P10 y P13, los valores máximos lixiviados para las

pruebas de la sección entera va de (0,025 a 0,069) mg/L y las de la P11 y P14 muestran

valores de lixiviación inferiores a los (0,012 ± 0,007) mg/L y (0,007 ± 0,004) mg/L

respectivamente; para el caso de las pruebas en forma granular de la P13 y P10, los valores

máximos lixiviados van de (0,012 a 0,060) mg/L y las de la P11 y P14 muestran valores

inferiores a los (0,012 ± 0,007) mg/L y (0,007 ± 0,004) mg/L respectivamente.

Con estos resultados y al tomar como el valor general de (0,069 ± 0,004) mg/L

como el valor máximo lixiviado de estaño por esta técnica y al compararlo con el valor del

cuadro 9 de 2 mg/L, se puede ver que el estaño presenta una lixiviación de unas treinta

veces menor a la permitida por la legislación para la liberación del estaño en el medio, por

lo que este metal al igual que el plomo, tampoco presenta problemas para ser tratado

mediante el uso de esta tecnología de tratamiento, para las concentraciones y características

de las disoluciones de desecho utilizadas para la elaboración de este trabajo.

Para cobre, los resultados se pueden observar en el cuadro 8, los valores de

lixiviación en todas las muestras analizadas fueron inferiores al límite de detección del

equipo, el cual es de (1,0 ± 0,6) mg/L, y al usar este valor como el valor máximo lixiviado

y al compararlo con el del cuadro 9 los cuales son de 2 mg/L y 0,5 mg/L, se observa que se

encuentra por debajo de la concentración máxima permitida según lo establecido por el

Reglamento de Vertido y Reuso de Aguas Residuales (MINAE, 2007), para el caso del

vertido en el sistema del alcantarillado, el cual es de 2 mg/L; sin embargo, se encuentra

48

superior al permitido al vertido en cuerpos de agua, el cual es de 0,5 mg/L, es decir, el uso

de la solidificación/estabilización de cobre a base de cemento puede ser utilizada para el

tratamiento de desechos de cobre, siempre que se asegure que la disposición final del

material estabilizado, no se encuentre cerca de cuerpos de agua, o que sus lixiviados no

desemboquen en ellos.

Finalmente al haber analizado la eficiencia de retención y la concentración máxima

lixiviada de cada metal a través de las distintas pruebas de lixiviación, se obtiene que el uso

de la técnica de Solidificación/Estabilización a base de cemento para el tratamiento de

desechos provenientes del Instituto Costarricense de Electricidad, los cuales se encuentran

contaminados con metales pesados, es una buena alternativa, la cual según las datos

obtenidos y los permitidos por la legislación, no presenta una lixiviación al ambiente, mayor

a lo establecido en el Reglamento de Vertido y Reuso de Aguas Residuales, en cuanto al

vertido al alcantarillado, ya que, los metales quedan estabilizados dentro de la matriz

cementicia tal como lo afirman varios autores; cuyos trabajos relacionados, informan que los

porcentajes de retención de metales pesados estudiados por ellos son superiores al 99 %,

además indican que la inmovilización de dichos metales se da de dos formas: la primera es

una inmovilización física (ecuación 7), aquí los metales quedan inmovilizados dentro de la

red cristalina del cemento, más específicamente en la fase de formación del CSH

(3CaO·2SiO2·4H2O), los metales se adsorben sobre la superficie del CSH que impide que

éstos se puedan liberar de la matriz cementicia elaborada.

3𝐶𝑎𝑂 · 2𝑆𝑖𝑂2 · 4𝐻2𝑂 + 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑙 → 3𝐶𝑎𝑂 · 2𝑆𝑖𝑂2 · 4𝐻2𝑂 · 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑙 (7)

La segunda se trata de una inmovilización química, ésta se da como resultado de la

formación de compuestos del metal de baja solubilidad (ecuaciones 8 y 9).

𝐶𝑢+2 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 → 𝐶𝑢(𝑂𝐻)2 + 𝐶𝑎+2 (8)

3𝐶𝑎𝑂 · 2𝑆𝑖𝑂2 · 4𝐻2𝑂 + 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑙 → 𝑀𝑒𝑡𝑎𝑙 · 𝑛𝐶𝑎𝑂 · 2𝑆𝑖𝑂2 · 4𝐻2𝑂 + 𝑛𝐶𝑎+2 (9)

49

Debido al alto valor de pH del cemento y a las reacciones de hidratación del mismo

(ecuaciones 10 a la 13); la formación del CH (Ca(OH)2), ayuda a la generación de hidróxidos

del metal en cuestión (que serían de plomo, estaño y cobre), los cuales presentan una baja

solubilidad (Kps 1,43x10-20

, 5,45x10-27

y 4,8x10-20

respectivamente) y por lo tanto se impide

su liberación al medio .

2(3𝐶𝑎𝑂 · 𝑆𝑖𝑂2) + 7𝐻2𝑂 → 3𝐶𝑎𝑂 · 2𝑆𝑖𝑂2 · 4𝐻2𝑂 + 3𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 (10)

2(2𝐶𝑎𝑂 · 𝑆𝑖𝑂2) + 5𝐻2𝑂 → 3𝐶𝑎𝑂 · 2𝑆𝑖𝑂2 · 4𝐻2𝑂 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 (11)

3𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3 + 6𝐻2𝑂 → 3𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3 · 6𝐻2𝑂 (12)

3𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 + 12𝐻2𝑂 → 4𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3 · 13𝐻2𝑂 (13)

Para el caso de la inmovilización química, aparte de la formación de productos de baja

solubilidad como los hidróxidos también se pueden formar compuestos insolubles de

silicatos, sulfuros o compuestos de calcio con algún anión del metal pesado, los cuales se

encuentran presentes dentro de la mezcla cementicia y pueden reaccionar con los distintos

metales a inmovilizar y formar dichos compuestos, como por ejemplo, el arsénico se puede

ver inmovilizado dentro de la red cristalina al combinarse con el calcio presente y formar el

arsenato de calcio el cual es de muy baja solubilidad y evita su liberación al ambiente o como

el cromato que sustituye al sulfato durante la formación de la etringita

(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O) para generar la Cr-etringita (ecuación 14) (Bobrowski,

Gawlicki, & Małolepszy, 1997; Botasso & Fensel, n.d.; Pera, Thevenin, & Chabannet, 1997;

Park, 2000; Halim et al., 2004; Glasser, 1997; Mijno, Catalan, Martin, & Bollinger, 2004).

3𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3 + 3(𝐶𝑎𝑆𝑂4 · 2𝐻2𝑂) + 3𝐾2𝐶𝑟𝑂4 + 26𝐻2𝑂 → 3𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3 · 3𝐶𝑎𝐶𝑟𝑂4 ·

32𝐻2𝑂 + 3𝐾2𝑆𝑂4 (14)

50

CAPITULO 4:

CONCLUSIONES

Los resultados y las observaciones generadas en el desarrollo del presente trabajo,

permiten generar la siguiente serie de conclusiones sobre los objetivos planteados y los

procesos realizados:

1. Se logró cumplir con el objetivo principal de este trabajo al lograr

estabilizar/inmovilizar dentro de una matriz cementicia las disoluciones de metales

(Pb+2

, Sn+2

y Cu+2

) provenientes del Instituto Costarricense de Electricidad,

mediante la formación de hidróxidos insolubles del metal utilizado para impedir así

su mayor liberación al ambiente.

2. Para la S/E de desechos del ICE que contenían plomo, estaño y cobre, los resultados

de lixiviación de cada uno [(0,041; 0,069 y 1,0) mg/L respectivamente] estuvieron

por debajo de lo permitido según el Reglamento de Vertido y Reuso de Aguas

Residuales [(0,5; 2 y 2) mg/L respectivamente]; tanto para las pruebas de la sección

entera, así como de la granular.

3. La eficiencia de retención de plomo, estaño y cobre dentro de la matriz cementicia

fue superior a los 96 % para el caso del plomo y estaño y de 100 % para el cobre.

4. El cemento Portland Ordinario es un buen material estabilizante debido a su

capacidad de retención para especies inorgánicas como plomo, estaño y cobre;

además de que facilita el desarrollo de este tipo de técnica, debido a su gran

disponibilidad comercial.

51

Recomendaciones:

La resistencia en algunas probetas se ve afectada por la presencia de sustancias que

alteran el fraguado y durabilidad del concreto, tales como cloruros, sulfatos y

sustancias orgánicas, por esto, esta técnica de tratamiento, no es recomendable para

la elaboración de estructuras rígidas al utilizar este tipo de desechos.

Si se desea realizar bloques o estructuras de concreto rígidas con este tipo de

desechos (bloques de cemento, baldosas o columnas), se debe caracterizar

inicialmente la matriz para eliminar aquellos factores que afectan la durabilidad del

mismo (mencionados anteriormente), para obtener resultados más satisfactorios; sin

embargo, para la fabricación de aceras privadas, adoquines, caños, bordes de caño y

pisos con poca carga, es posible utilizar esta metodología.

Para futuros trabajos se puede trabajar con otra variedad y concentraciones de

metales para poder ver la factibilidad de la técnica al variar las condiciones

utilizadas en el desarrollo de este trabajo y determinar si esta técnica funciona a

concentraciones más elevadas y con otro tipo de metales.

Además de la concentración y tipo de metal, para futuros trabajos, se puede probar

con una variación del medio lixiviante, para determinar si con valores de pH más

bajos o más altos, se da una mayor lixiviación de los metales o si se mantienen los

mismos resultados del presente trabajo, por ejemplo determinar la factibilidad de

disponer el concreto en un relleno sanitario.

Utilizar recipientes que no absorban los metales al pasar lapsos de tiempos

prolongados al realizar pruebas de lixiviación o almacenamiento de las muestras.

Realizar más repeticiones de aquellas pruebas que así lo requieran para obtener

resultados más significativos de las pruebas realizadas.

52

CAPITULO 5:

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63

CAPITULO 6:

ANEXOS

Fotos representativas para la preparación de las diferentes muestras que se colocaron

en el sistema de lixiviación para la realización de las pruebas de lixiviación del bloque

morterizado y del bloque entero.

Figura 15. Muestra preparada para la prueba de lixiviación granular.

Figura 16. Muestra preparada para la prueba de lixiviación del bloque entero.

64

Resumen de datos para el análisis de plomo:

Muestras de la probeta #10 (P10):



LODcalc: 0,00645 mg/L Sx/y: 0,0129

LODequipo: 0,2 µg/L Sb: 0,0007

LOQ: 0,02151 mg/L Sa: 0,02

Cuadro 10. Datos obtenidos del análisis por A.A.H.G. para las muestras de la P10.

Tipo de

muestra

Tipo de agua Absorbancia Concentración

(ppb)

Concentración

(ppm)

Entera

Tubo 0,1618 27,36667 0,02736667

Lluvia 0,1423 24,11667 0,02411667

Destilada 0,2361 39,75 0,03975

Desionizada 0,1014 17,3 0,0173

Morterizada

Tubo -0,0250 < 6 < 0,006

Lluvia -0,0167 < 6 < 0,006

Destilada 0,0404 7,13333 0,00713333

Desionizada 0,0003 0,45 0,00045

65




LODcalc: 0,003 mg/L Sx/y: 0,0041


LOQ: 0,01 mg/L Sa: 0,007


Tipo de

muestra


(ppb)

Concentración

(ppm)

Entera

Tubo -0,0183 < 4 < 0,004

Lluvia -0,0202 < 4 < 0,004

Destilada -0,0181 < 4 < 0,004

Desionizada -0,0381 < 4 < 0,004

Morterizada

Tubo 0,0045 0,58537 0,00058537

Lluvia -0,0182 < 4 < 0,004

Destilada 0,0113 2,24390 0,00224390

Desionizada -0,0119 < 4 < 0,004

66






LOQ: 0,015 mg/L Sa: 0,01


Tipo de

muestra


(ppb)

Concentración

(ppm)

Entera

Tubo 0,1728 31,42857 0,03142857

Lluvia 0,2054 37,25 0,03725

Destilada 0,1892 34,35714 0,03435714

Desionizada 0,2256 40,85714 0,04085714

Morterizada

Tubo 0,0227 4,625 0,004625

Lluvia 0,0646 12,10714 0,01210714

Destilada 0,1990 36,10714 0,03610714

Desionizada 0,0797 14,80357 0,01480357

67

Muestras de las probetas #14, #9 y #12 (P14, P9 y P12):

Figura 20. Curva de calibración de plomo de 2,5 µg/L a 50 µg/L para las muestras de la P9,

P12 y P14 con una longitud de onda de 217,0 nm.



LOQ: 0,015 mg/L Sa: 0,02

Cuadro 13. Datos obtenidos del análisis por A.A.H.G. para las muestras de la P9, P12 y P14.

Tipo de

muestra

Tipo de

agua/Muestra

Absorbancia Concentración

(ppb)

Concentración

(ppm)

Entera

Tubo 0,0516 5,73134 0,00573134

Lluvia 0,0584 6,74627 0,00674627

Destilada 0,0519 5,77611 0,00577611

Desionizada 0,0520 5,79104 0,00579104

Morterizada

Tubo 0,0427 4,40298 0,00440298

Lluvia 0,1021 13,26866 0,01326866

Destilada 0,0488 5,31343 0,00531343

Desionizada 0,0522 5,82090 0,00582090

Bloque entero

P09-27/11/09 0,1938 26,95522 0,02695522

P12-27/11/09 0,0176 0,65672 0,00065672

P09-26/01/12 0,0426 4,38806 0,00438806

P12-26/01/12 0,0072 < 7 < 0,007

68

Resumen de datos para el análisis de estaño:






LOQ: 0,012 mg/L Sa: 0,009


Tipo de

muestra


(ppb)

Concentración

(ppm)

Entera

Tubo 0,0389 6,75676 0,00675676

Lluvia 0,0619 12,97297 0,01297297

Destilada 0,0535 10,70270 0,01070270

Desionizada 0,1058 24,83784 0,02483784

Morterizada

Tubo 0,1628 40,24324 0,04024324

Lluvia 0,1848 46,18919 0,04618919

Destilada 0,2354 59,86486 0,05986486

Desionizada 0,2068 52,13513 0,05213513

69

Muestras de la probeta #9, #11 y #12 (P9, P11 y P12):

Figura 22. Curva de calibración de estaño de 2,5 µg/L a 100 µg/L para las muestras de la P9,




LOQ: 0,040 mg/L Sa: 0,02

Cuadro 15. Datos obtenidos del análisis por A.A.H.G. para las muestras de la P9, P11 y P12.

Tipo de

muestra

Tipo de

agua/Muestra


(ppb)

Concentración

(ppm)

Entera

Tubo -0,0163 < 12 < 0,012

Lluvia -0,0146 < 12 < 0,012

Destilada -0,0172 < 12 < 0,012

Desionizada -0,0135 < 12 < 0,012

Morterizada

Tubo -0,0176 < 12 < 0,012

Lluvia -0,0038 < 12 < 0,012

Destilada -0,0059 < 12 < 0,012

Desionizada -0,0154 < 12 < 0,012

P09-27/11/09 0,0406 5,94286 0,00594286

P12-27/11/09 -0,0020 < 12 < 0,012

P09-26/01/12 0,0043 < 12 < 0,012

P12-26/01/12 0,0057 < 12 < 0,012

70






LOQ: 0,027 mg/L Sa: 0,01


Tipo de

muestra


(ppb)

Concentración

(ppm)

Entera

Tubo 0,0687 13 0,013

Lluvia 0,0691 13,1 0,0131

Destilada 0,0569 10,05 0,01005

Desionizada 0,2931 69,1 0,0691

Morterizada

Tubo 0,0351 4,6 0,0046

Lluvia 0,0668 12,521 0,012521

Destilada 0,0648 12,025 0,012025

Desionizada 0,0230 1,575 0,001575

71

Muestras de la P14 (P14):





LOQ: 0,023 mg/L Sa: 0,01


Tipo de

muestra


(ppb)

Concentración

(ppm)

Entera

Tubo -0,0077 < 7 < 0,007

Lluvia -0,0086 < 7 < 0,007

Destilada -0,0086 < 7 < 0,007

Desionizada -0,0083 < 7 < 0,007

Morterizada

Tubo -0,0079 < 7 < 0,007

Lluvia -0,0057 < 7 < 0,007

Destilada -0,0090 < 7 < 0,007

Desionizada -0,0059 < 7 < 0,007

72

Resumen de datos para el análisis de cobre:

Muestras de la probeta #1 y #6 (P1 y P6):

Figura 25. Curva de calibración de cobre de 0,16 mg/L a 10 mg/L para las muestras de la P1

y P6 con una longitud de onda de 324,8 nm.



LOQ: 3,26 mg/L Sa: 0,03

Cuadro 18. Datos obtenidos del análisis por A.A.Ll. para las muestras de la P1 y P6.

Tipo de

muestra


(ppm)

Morterizada

P1

Tubo 0,0060 < 1,0

Lluvia 0,0040 < 1,0

Destilada 0,0049 < 1,0

Desionizada 0,0044 < 1,0

Morterizada

P6

Tubo 0,0034 < 1,0

Lluvia 0,0042 < 1,0



73

Muestras de las probetas #2, #11 y #12 (P2, P11 y P12):

Figura 26. Curva de calibración de cobre de 0,16 mg/L a 10 mg/L para las muestras de la P2,




LOQ: 3,5 mg/L Sa: 0,03

Cuadro 19. Datos obtenidos del análisis por A.A.Ll. para las muestras de la P2, P11 y P12.

Tipo de

muestra

Tipo de

agua/Muestra


(ppm)

Entera

Tubo 0,0159 < 1,1

Lluvia 0,0008 < 1,1



Morterizada

Tubo 0,0015 < 1,1

Lluvia 0,0002 < 1,1



Bloque Entero

P02-27/11/09 0,0064 < 1,1

P12-27/11/09 0,0028 < 1,1

P02-29/02/12 0,0090 < 1,1

P12-26/01/12 0,0010 < 1,1

74



P14 con una longitud de onda de 324,8 nm.


LODequipo: 1,2µg/L Sb: 0,007

LOQ: 3,0 mg/L Sa: 0,03

Cuadro 20. Datos obtenidos del análisis por A.A.Ll. para las muestras de la P14.

Tipo de

muestra


(ppm)

Entera

Tubo -0,0075 < 1,0

Lluvia -0,0110 < 1,0

Destilada -0,0018 < 1,0


Morterizada

Tubo -0,0100 < 1,0

Lluvia -0,0112 < 1,0



75

Datos crudos obtenidos del análisis por absorción de las distintas probetas

y metales:


sección entera.

4 días 8 días 12 días 16 días 20 días

Tubo 0,011±0,004 0,027±0,004 0,015±0,004 0,026±0,004 0,019±0,004

Lluvia 0,014±0,004 0,024±0,004 0,008±0,004 0,024±0,004 0,023±0,004

Destilada 0,003±0,004 0,006±0,004 0,004±0,004 0,018±0,004 0,040±0,004

Desionizada 0,017±0,004 0,004±0,004 0,002±0,004 0,003±0,004 0,005±0,004


sección granular.


Tubo < 0,006±0,004 < 0,006±0,004 < 0,006±0,004 < 0,006±0,004 < 0,006±0,004

Lluvia < 0,006±0,004 < 0,006±0,004 < 0,006±0,004 < 0,006±0,004 < 0,006±0,004

Destilada 0,003±0,004 0,007±0,004 0,002±0,004 0,002±0,004 0,002±0,004

Desionizada 0,0004±0,004 < 0,006±0,004 < 0,006±0,004 < 0,006±0,004 < 0,006±0,004


sección entera.


Tubo < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002

Lluvia < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002

Destilada < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002

Desionizada < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002


sección granular.


Tubo < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 0,0006±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002

Lluvia < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002

Destilada 0,002±0,002 0,0004±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002

Desionizada < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002 < 0,003±0,002

76


sección entera.


Tubo 0,002±0,003 0,026±0,003 0,031±0,003 0,017±0,003 0,019±0,003

Lluvia 0,019±0,003 0,009±0,003 0,033±0,003 0,033±0,003 0,037±0,003

Destilada 0,028±0,003 0,034±0,003 0,025±0,003 0,017±0,003 0,033±0,003

Desionizada 0,007±0,003 0,030±0,003 0,041±0,003 0,039±0,003 0,036±0,003


sección granular.


Tubo 0,005±0,003 < 0,003±0,003 0,003±0,003 < 0,003±0,003 < 0,003±0,003

Lluvia < 0,003±0,003 0,012±0,003 0,0009±0,003 0,0006±0,003 0,0003±0,003

Destilada 0,004±0,003 0,036±0,003 0,002±0,003 0,003±0,003 0,0004±0,003

Desionizada < 0,003±0,003 0,015±0,003 0,002±0,003 < 0,003±0,003 < 0,003±0,003


sección entera.


Tubo 0,0001±0,003 0,0005±0,003 0,003±0,003 0,006±0,003 0,003±0,003

Lluvia 0,003±0,003 0,006±0,003 0,005±0,003 < 0,003±0,003 0,007±0,003

Destilada 0,002±0,003 0,005±0,003 0,003±0,003 0,006±0,003 0,002±0,003

Desionizada 0,002±0,003 0,003±0,003 0,004±0,003 0,006±0,003 0,004±0,003


sección granular.


Tubo 0,001±0,003 0,003±0,003 0,004±0,003 0,003±0,003 0,004±0,003

Lluvia 0,003±0,003 0,003±0,003 0,004±0,003 0,013±0,003 0,005±0,003

Destilada < 0,003±0,003 0,005±0,003 0,004±0,003 0,005±0,003 0,004±0,003

Desionizada 0,003±0,003 0,004±0,003 0,005±0,003 0,005±0,003 0,006±0,003

77


sección entera.


Tubo 0,007±0,002 0,003±0,002 0,005±0,002 0,004±0,002 0,007±0,002

Lluvia 0,013±0,002 0,004±0,002 0,005±0,002 0,010±0,002 0,00003±0,002

Destilada < 0,012±0,002 < 0,012±0,002 0,003±0,002 0,008±0,002 0,011±0,002

Desionizada 0,025±0,004 0,020±0,004 0,018±0,004 0,007±0,004 0,009±0,004


sección granular.


Tubo < 0,012±0,007 0,034±0,007 0,040±0,007 0,009±0,007 0,037±0,007

Lluvia 0,046±0,008 0,008±0,008 0,004±0,008 0,006±0,008 < 0,012±0,008

Destilada 0,018±0,009 0,060±0,009 0,0003±0,009 < 0,012±0,009 < 0,012±0,009

Desionizada 0,026±0,009 0,052±0,009 < 0,012±0,009 < 0,012±0,009 0,036±0,009


sección entera.


Tubo < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Lluvia < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Destilada < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Desionizada < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007


sección granular.


Tubo < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Lluvia < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Destilada < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Desionizada < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

78


sección entera.


Tubo 0,003±0,004 0,008±0,004 0,010±0,004 0,013±0,004 0,005±0,004

Lluvia 0,012±0,004 0,007±0,004 0,010±0,004 0,006±0,004 0,013±0,004

Destilada 0,009±0,004 0,010±0,004 0,006±0,004 0,003±0,004 0,003±0,004

Desionizada 0,069±0,004 0,017±0,004 0,021±0,004 0,013±0,004 0,003±0,004


sección granular.


Tubo 0,005±0,004 < 0,012±0,004 0,002±0,004 < 0,012±0,004 < 0,012±0,004

Lluvia 0,012±0,005 0,005±0,005 0,005±0,005 < 0,012±0,005 < 0,012±0,005

Destilada < 0,012±0,004 0,012±0,004 < 0,012±0,004 < 0,012±0,004 < 0,012±0,004

Desionizada < 0,012±0,005 0,002±0,005 < 0,012±0,005 < 0,012±0,005 < 0,012±0,005


sección entera.


Tubo < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Lluvia < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Destilada < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Desionizada < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007


sección granular.


Tubo < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Lluvia < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Destilada < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

Desionizada < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007 < 0,012±0,007

79

Cuadro 37. Concentración (mg/L) lixiviada de cobre en varios tipos de agua de la P1, sección

granular.


Tubo < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Lluvia < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Destilada < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Desionizada < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Cuadro 38. Concentración (mg/L) lixiviada de cobre en varios tipos de agua de la P6, sección

granular.


Tubo < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Lluvia < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Destilada < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Desionizada < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6


sección entera.


Tubo < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6

Lluvia < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6

Destilada < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6

Desionizada < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6


sección granular.


Tubo < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6

Lluvia < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6

Destilada < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6

Desionizada < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6 < 1,1±0,6

80


sección entera.


Tubo < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Lluvia < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Destilada < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Desionizada < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6


sección granular.


Tubo < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Lluvia < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Destilada < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Desionizada < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6 < 1,0±0,6

Cálculo del porcentaje de retención:

Cuadro 43. Valores utilizados para el cálculo del ER para cada probeta analizada.

Relación a/c 0,45 Relación a/c 0,65

Vi (L) Cni (mg/L) Vf (L) Vi (L) Cni (mg/L) Vf (L)

Plomo sección entera 1,250 0,36 0,400 1,350 0,36 0,400

Plomo sección granular 1,250 0,36 0,300 1,350 0,36 0,300

Plomo probeta entera 1,250 0,36 0,450 1,350 0,36 0,450

Estaño sección entera 1,250 0,36 0,400 1,350 0,36 0,400

Estaño sección granular 1,250 0,36 0,300 1,350 0,36 0,300

Estaño probeta entera 1,250 0,36 0,450 1,350 0,36 0,450

Cobre sección granular 1,250 16 500 0,300 1,350 16 500 0,300

Cobre probeta entera 1,250 16 500 0,450 1,350 16 500 0,450

Con el uso de la ecuación 3, los datos del cuadro 43 y los datos del cuadro 18 para la P1,

sección granular se obtiene que:

𝐸𝑅 =(𝑀𝑀𝐼𝐻 − 𝑀𝑀𝐿)

𝑀𝑀𝐼𝐻𝑥100

81

Para MMIH

𝑀𝑀𝐼𝐻 = 𝐶𝑛𝑖𝑥𝑉𝑖 = 16500𝑚𝑔

𝐿𝑥1,250𝐿 = 20625𝑚𝑔𝐶𝑢+2

Para MML

𝑀𝑀𝐿 = 𝐶𝑛𝑓𝑥𝑉𝑓 = 0.9781𝑚𝑔

𝐿𝑥0,300𝐿 = 0,2934𝑚𝑔𝐶𝑢+2

Por lo tanto,

𝐸𝑅 =(𝑀𝑀𝐼𝐻 − 𝑀𝑀𝐿)

𝑀𝑀𝐼𝐻𝑥100 =

(20625 − 0,2934)𝑚𝑔𝐶𝑢+2

20625𝑚𝑔𝐶𝑢+2 𝑥100

𝐸𝑅 = 99,998

Cálculo de incertidumbres:

Para P1 sección granular:

A) Cálculo de la incertidumbre del volumen inicial utilizado en la fabricación de la

probeta:

En este caso se utilizó una probeta de 2 L, para realizar la medida del volumen inicial de

1 250 mL, el cual es el volumen utilizado para realizar el hormigón de la P1. Por lo tanto, el

cálculo de la incertidumbre para la probeta es:

U(Vi)= 𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎2−𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎1

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑑𝑒𝑑𝑖𝑣𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 =

(1400𝑚𝐿−1200𝑚𝐿)

10 = 20 mL

→ Vi= 1 250 mL ------------------------- µ(Vi)= 10 mL

82

B) Cálculo de la incertidumbre de la concentración de cobre inicial utilizada en la

fabricación de la probeta:

En este caso se utilizó la disolución original de cobre para la elaboración de la mezcla de

concreto, aquí la concentración inicial de cobre utilizada fue de 16 500 mg/L. Así, la

incertidumbre para esta concentración es:

µ(Cni)= 𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎

2 =

1𝑚𝑔 𝐿⁄

2 = 0,5 mg/L

→ Cni= 16 500 mg/L ------------------------- µ(Cni)= 0,5 mg/L

C) Cálculo de la incertidumbre del volumen final utilizado durante la prueba de

lixiviación de la probeta P1:

En este caso se utilizó una probeta de 500 mL para la medida del medio lixiviante utilizado

en las pruebas de lixiviación de la P1. De este modo, el cálculo de la incertidumbre es:

U(Vf)= 𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎2−𝐿𝑒𝑐𝑡𝑢𝑟𝑎1

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙𝑑𝑒𝑑𝑖𝑣𝑖𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒𝑠 =

(350𝑚𝐿−300𝑚𝐿)

10 = 5 mL

→ Vf= 300 mL ------------------------- µ(Vf)= 2,5 mL

D) Cálculo de la incertidumbre de la concentración de cobre final, obtenida en el

análisis de metales por A.A. :

Aquí, la concentración final obtenida en este caso, fue de 0,9781 mg/L, por lo que, el

cálculo de la respectiva incertidumbre es:

83

µ(Cnf) = Sx0 = 𝑆𝑥/𝑦

𝑏 √

1

𝑚+

1

𝑛+

(𝑦0−𝑦𝑝𝑟𝑜𝑚)2

𝑏2 ∑ (𝑥𝑖−𝑥𝑝𝑟𝑜𝑚)2

𝑖

= 0,02393

0,0734√

1

3+

1

8+

(0,006−0,1525)2

(0,0734)2∗63,77

µ(Cnf)= 0,2353 mg/L

→ Cnf= 0,9781 mg/L ------------------------- µ(Cnf)= 0,2353 mg/L

E) Cálculo de la incertidumbre de la masa incorporada al hormigón (MMIH), para la

fabricación de la probeta:

El cálculo de la masa incorporada y su respectiva incertidumbre, se obtienen mediante las

siguientes ecuaciones:

MMIH = Vi*Cni = 1,250 L * 16 500 mg/L = 20 625 mg Cu+2

µ(MMIH) = MMIH√(µ(𝑉𝑖)

𝑉𝑖)

2+ (

µ(𝐶𝑛𝑖)

𝐶𝑛𝑖)

2

= 20 625 mg/L√(10𝑚𝐿

1250𝑚𝐿)

2+ (

0,5𝑚𝑔 𝐿⁄

16500𝑚𝑔 𝐿⁄)

2

µ(MMIH) = 165,001 mg Cu+2

→ MMIH= 20 625 mg Cu+2

------------------------- µ(MMIH)= 165,001 mg Cu+2

F) Cálculo de la incertidumbre de la masa lixiviada (MML), durante la prueba de

lixiviación:

El cálculo de la masa lixiviada, así como su incertidumbre asociada, se obtienen a través de

las siguientes ecuaciones:

MML = Vf*Cnf = 0,300 L * 0,9781 mg/L = 0,2934 mg Cu+2

84

µ(MML) = MML√(µ(𝑉𝑓)

𝑉𝑓)

2+ (

µ(𝐶𝑛𝑓)

𝐶𝑛𝑓)

2

= 0,2934 mg/L√(2,5𝑚𝐿

300𝑚𝐿)

2+ (

0,235𝑚𝑔 𝐿⁄

0,9781𝑚𝑔 𝐿⁄)

2

µ(MMIH) = 0,071 mg Cu+2

→ MML= 0,2934 mg Cu+2

------------------------- µ(MML)= 0,071 mg Cu+2

G) Cálculo de la incertidumbre de la eficiencia de retención para la probeta P1:

El cálculo de la eficiencia de retención y su respectiva incertidumbre para la probeta P1, se

obtiene de la siguiente forma:

ER= (𝑀𝑀𝐼𝐻−𝑀𝑀𝐿)

𝑀𝑀𝐼𝐻 =

(20625−0,2934)

20625∗ 100 = 99,9986 %

µ(ER) = ER √(µ(𝑀𝑀𝐼𝐻−𝑀𝑀𝐿)

𝑀𝑀𝐼𝐻−𝑀𝑀𝐿)

2+ (

µ(𝑀𝑀𝐼𝐻)

𝑀𝑀𝐼𝐻)

2

µ(ER) = 99,9986 %√(165.001

20624,7066)

2+ (

165,001

20625)

2

= 1,1%

→ U(ER)= 99 % ------------------------- µ(ER)= 2,2 %

85

Para la masa medida con la balanza granataria de 5 kg:

Cálculo de la incertidumbre de la linealidad del equipo:

Linealidad (L): 0,1 g ---------------------------------- µ(L) = 0,1

√3= 0,0577𝑔

Cálculo de la incertidumbre de la tolerancia del equipo:

Tolencia (T): 0,1 g ------------------------------------ µ(T) = 0,1

√3= 0,0577𝑔

Cálculo de la incertidumbre combinada:

µc = √(𝜇𝐿)2 + (𝜇𝑇)2 = √(0,0577)2 + (0,0577)2 = 0,081649 g

Cálculo de la incertidumbre asociada a la tara del equipo:

µ(Tara) = √(𝜇𝐶1)2 + (𝜇𝐶2)2 = √(0,081649)2 + (0,081649)2 = 0, 115469 g

Cálculo de la incertidumbre asociada a la masa de 4,2 kg:

U = ±2 * µ(Tara) = ±2 * 0,115469 = ±0,2309 g

Masa = (4 200,0 ± 0,2) g

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Norma ASTM C31/C31M:

Figura 28. Norma ASTM C31/C31M página 1.

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